(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
挿入光源と、
前記挿入光源を挟んで設置された１対の共振器ミラーを含む共振器系と、
前記１対の共振器ミラーそれぞれを収納し、内部を真空引きできる１対の共振器チャンバーとを備える自由電子レーザ装置に適用可能な共振器系のアライメント装置であって、
前記１対の共振器チャンバーの少なくとも一方に設けたビューポートと、
前記共振器系の光軸に対して垂直に離れた該共振器系の外部にある第１の配設位置に配置される第１のトランシットとを備えて、
前記第１のトランシットを前記第１の配設位置に配置したとき該第１のトランシットから前記ビューポートを介して前記共振器ミラーの光線反射位置を直接に見通せるようにしたことを特徴とする共振器系アライメント装置。
【請求項２】
前記１対の共振器チャンバーを相互に接続する真空ダクトをさらに備え、真空状態にある前記共振器ミラーの光線反射位置を直接に見通せるようにしたことを特徴とする請求項１記載の共振器系アライメント装置。
【請求項３】
前記１対の共振器チャンバーの両方にビューポートを備え、
前記第１のトランシットの配設位置から前記ビューポートを介して前記１対の共振器ミラーのいずれも光線反射位置が見通せることを特徴とする請求項１または２記載の共振器系アライメント装置。
【請求項４】
前記１対の共振器チャンバーの一方に出し入れ可能なプローブレーザ用反射鏡を備え、該一方の共振器チャンバーに前記プローブレーザ用反射鏡の光線反射位置を前記第１のトランシットから見通せる第１のプローブレーザ用ビューポートを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の共振器系アライメント装置。
【請求項５】
前記共振器系の光軸に対して前記第１のトランシットと異なる方向に離れた該共振器系の外部にある第２の配設位置に配置される第２のトランシットと、
前記１対の共振器チャンバーの少なくとも一方に備えたビューポートであって、前記第２のトランシットを配置したときに該第２のトランシットから前記共振器ミラーの光線反射位置を直接に見通せる第２のビューポートとを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の共振器系アライメント装置。
【請求項６】
前記１対の共振器チャンバーの一方に出し入れ可能なプローブレーザ用反射鏡を備え、
前記共振器系の光軸に対して前記第１のトランシットと異なる方向に離れた該共振器系の外部にある第２の配設位置に配置される第２のトランシットを備え、前記一方の共振器チャンバーに前記第２のトランシットから前記プローブレーザ用反射鏡の光線反射位置を直接に見通せる第２のプローブレーザ用ビューポートを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の共振器系アライメント装置。
【請求項７】
前記第２のトランシットの前記第２の配設位置が前記挿入光源の水平側方に定められることを特徴とする請求項５または６記載の共振器系アライメント装置。
【請求項８】
前記第１のトランシットの前記第１の配設位置が前記挿入光源の鉛直上方に定められることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の共振器系アライメント装置。
【請求項９】
挿入光源を挟んで配置される共振器ミラーを格納する共振器チャンバーであって、挿入光源の外部に設けたトランシットから、真空状態で格納された前記共振器ミラーの光線反射位置を直接に見通せるビューポートを備えることを特徴とする共振器チャンバー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自由電子レーザ装置の挿入光源において共振器系のアライメントを行う装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自由電子レーザ装置は、波長可変、高ピーク出力、高波長選択性などの特徴を持つことから、物理、化学、バイオ、医療など、広範囲の分野において広く利用されることが期待されている。
良質な自由電子レーザを効率よく発生させるためには、共振器ミラーの軸を１００μｍ以内の精度でアライメントする必要がある。
自由電子レーザの共振は真空ダクト内で行われるので共振器ミラーは真空チャンバーに格納されている。
【０００３】
従来のアライメント方法では、チャンバー自体の位置姿勢を調整することにより共振器ミラーの軸アライメントを行う。ミラーホールダーを共振器チャンバーの決められた設計位置に組み込み、図５の側面図と図６の平面図に示すように、平たい円筒形をした共振器チャンバの外側表面に共振器ミラー軸の垂直位置と水平位置を罫書き線で印しておき、この罫書き線に基づいてトランシットあるいはレベラで共振器ミラーの軸アライメントを行っていた。
【０００４】
しかし、この方法では、加工精度と組み立て精度の問題で、内部の共振器ミラーと外部の罫書き線の間にずれが生じるので、数１００μｍ以上の誤差が生じることは避けられなかった。さらに、共振器チャンバーを真空引きしたときに大気圧差が掛かるため１ｍｍ程度のずれが生じる。こうした誤差のため、組み立て後に自由電子レーザの発振条件を探索しながらミラーホルダーの位置姿勢を調整しなければならず、発振調整に多大な手間と時間を必要としていた。
【０００５】
また、可視領域外の自由電子レーザについて実験系の設定を行うときは、可視領域のガイド用プローブレーザを用いて光軸調整を行うが、プローブレーザの光軸と自由電子レーザの光軸を数１００μｍ以内の精度で一致させることは難しく、最終的には出力を観察しながら実験系の位置調整を行うことになる。このように、可視領域外の自由電子レーザの実験設定は極めて困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、自由電子レーザ発生装置の共振器系におけるアライメントを能率良く行う装置を提供することである。また、可視領域外の自由電子レーザを利用する場合に、実際のレーザ光軸と良く一致したガイド用プローブレーザを供給できるアライメント装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、挿入光源を挟んで共振器チャンバーに収納された１対の共振器ミラーを備えた共振器系に用いる本発明の共振器系アライメント装置は、共振系の外部に第１のトランシットを配設する位置が決められていて、配設位置に設置された第１のトランシットから共振器ミラーの光線反射位置を見通せるビューポートを共振器チャンバーに備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の共振器系アライメント装置では、共振器チャンバーにビューポートを設けてトランシットから直接に共振器ミラーの光線反射位置が見通せるようになっている。したがって、共振器チャンバーの外側に印した罫書き線に頼らず直接に共振器ミラーの位置が確認できるので、共振器チャンバーなどの製作誤差やミラーホールダなどの組み込み誤差にかかわらず、正確なミラー軸調整ができる。また、ミラー軸調整後に真空引きしてもミラー自体の位置に基づいて調整するので大気圧分の差圧がかかることによる誤差が生じない。さらに、耐真空のビューポートを介して共振器チャンバー内のミラーを見通すことができるので、チャンバーやダクトを真空引きした後でミラー軸の調整を行うことができる。
【０００９】
また、本発明の共振器系アライメント装置は、第１のトランシットから１対の共振器ミラーのいずれについても光線反射位置が見通せるようにトランシットを配置することが好ましい。
共振器ミラーの光軸はアンジュレータなど挿入光源に対して位置決めすることもできるが、両方の共振器ミラーを見通して両者の位置関係を直接的に精密に調整することにより、光線が共振する軌道を正確に規定することができる。
【００１０】
さらに、共振器チャンバーの少なくとも一方に出し入れ可能なプローブレーザ用反射鏡を備え、このプローブレーザ用反射鏡の光線反射位置を第１のトランシットから見通せるようなビューポートを共振器チャンバーに備えるようにしてもよい。
特に赤外線や紫外線など可視領域外の自由電子レーザを使用するときには、共振器ミラーの調整ばかりでなく、発振後のレーザ軌跡を実験装置に導くための光学系を調整するためにも自由電子レーザと同じ光軸を持つ可視光レーザが必要になる。可視光レーザを自由電子レーザの光軸に正確に一致させるためには、反射鏡のレーザ反射位置を自由電子レーザの光軸に正確に一致させる必要がある。
共振器チャンバーにプローブレーザ用反射鏡を見通せるビューポートを備えた本発明の共振系アライメント装置であれば、プローブレーザ用反射鏡を光軸中に挿入したときにトランシットを利用して直接的に反射鏡の位置調整をすることができる。
【００１１】
本発明の共振系アライメント装置は、さらに、第２のトランシットもしくはレベラー（以下、トランシットで代表する）を共振系の外部において第１のトランシットと異なる方向から共振器系を観測する位置に配置して、第２のトランシットから共振器ミラーの光線反射位置を見通せるビューポートを共振器チャンバーに備えるようにしてもよい。
さらに共振器チャンバーに第２トランシットからプローブレーザ用反射鏡の光線反射位置を見通せるビューポートを備えるようにしてもよい。
また、第１のトランシットは挿入光源の鉛直上方に配置され、第２トランシットが挿入光源の水平側方に配置されることが好ましい。
異なる２方向からトランシットで観測することにより、光軸を立体的に確定することができる。
【００１２】
また、挿入光源を挟んで配置される共振器ミラーを格納する本発明の共振器チャンバーは、挿入光源の外部に設けたトランシットから共振器ミラーの光線反射位置を見通せるようなビューポートを備えることを特徴とする。
従来の共振器チャンバーは外部から共振器ミラーの状態を目視で観察することができなかったが、共振器ミラーが見える位置にビューポートを備えることにより、トランシットで直接に共振器ミラーのレーザ反射位置を観測して位置調整することができるようになる。
なお、ビューポートは、２基のトランシットからそれぞれ観察できるように２個備えても良い。
また、本発明の共振器チャンバーは、さらにプローブレーザ用反射鏡の位置が見えるようなビューポートを備えても良い。なお、両者が一緒に見えるような大きなビューポートを備えることもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。本実施例の共振器系アライメント装置は、鉛直方向と水平方向の２基のトランシットを備えて、２個の共振器ミラーの反射位置がアンジュレータに設定された光軸の延長上に来るように立体的に調整するものである。なお、一方の共振器チャンバーにはプローブレーザ用反射鏡が挿入されるようになっており、このレーザ反射位置が上の光軸上に来るように調整することもできる。
【００１４】
図１は本実施例の共振器系アライメント装置の鉛直側トランシットを説明する側面図、図２は本実施例の水平側トランシットを説明する平面図、図３は共振器チャンバーの外形を表す斜視図、図４はプローブレーザ光と共振器ミラー軸のと軸調整機構を説明する平面図である。
【００１５】
本実施例の共振器系アライメント装置は、アンジュレータ１の光軸の延長上両側に備えられた１対の共振器チャンバー２，３を対象にするものである。第１の共振器チャンバー２には第１の共振器ミラー４とプローブレーザ用反射鏡５、第２の共振器チャンバー３には第２の共振器ミラー６が装着されている。第１の共振器ミラーは全反射型であるが、第２の共振器ミラー６は自由電子レーザを取り出す窓、カップリングホールが設けられている。図には省略してあるが、第１共振器チャンバー２にはプローブレーザ用反射鏡５を必要に応じて光軸中に挿入したり待避したりする駆動装置が設けられている。また、共振器チャンバー２，３の外側から共振器ミラー４，６およびプローブレーザ用反射鏡５の位置と姿勢を調整するためのアクチュエータがそれぞれ設けられている。
第１共振器チャンバー２と第２共振器チャンバー３の間は真空ダクト７で繋がっていて高真空の保持ができるようになっている。
【００１６】
アライメントを行うために、アンジュレータ１内を走る光軸の鉛直上方に設けられた第１のトランシット１０とアンジュレータ１内の光軸の水平側方に設けられた第２のトランシット１２を使用する。トランシットによる位置計測は比較的容易であるので、必要に応じてトランシットを設置して測定してもよく、また１基のトランシットを垂直位置と水平位置に据え直して利用することもできる。これらのトランシットは、自由電子レーザ試験条件を変更するたびに使用することになるので、常設しておいてもよいことはいうまでもない。
【００１７】
第１共振器チャンバー２の上面には、第１トランシット１０から第１共振器ミラー４の光反射位置が見通せるように設置されたビューポート２１と、プローブレーザ用反射鏡５が共振器軸位置に挿入されたときにレーザ光を反射する位置が見通せるように設置されたビューポート２２が設けられている。
また、第１共振器チャンバー２の側面には、第２トランシット１２から第１共振器ミラー４の光反射位置が見通せるビューポート２３と、プローブレーザ用反射鏡５が共振器軸位置に挿入されたときのレーザ光反射位置が見通せるビューポート２４が設けられている。
【００１８】
なお、第１共振器チャンバー２は、図３に示すように、チャンバー上面と側面にそれぞれ大きな透明窓２５，２６を設けて、第１共振器４とプローブレーザ用反射鏡５の両方が１つのビューポートから見通せるようにしても良い。ビューポートにはガラスを密着するように嵌めて真空が漏れないようにしてある。なお、共振器チャンバー２の表面には共振器軸の設計位置を示す罫書き線が印されたプレート２７，２８が付けられている。
【００１９】
第２共振器チャンバー３の上面には、上方に設けられた第１トランシット１０から第２共振器ミラー６の光反射位置が見通せるビューポート３１、側面には側方に設けられた第２トランシット１２から第２共振器ミラー６の光反射位置が見通せるビューポート３２が設けられている。
【００２０】
共振器系のアライメントを取るときには、アンジュレーター１に対して共振器チャンバー２，３を据えた後で、アンジュレータやチャンバーに付された罫書き線に基づいて各装置の位置を大まかに調整して固定する。
次に、第１トランシット１０の望遠鏡１１の光軸をアンジュレータ１自由電子レーザの光軸を含む面内で動くように調整した後、鏡身を第１共振器ミラー４に向けて観測し、自由電子レーザ光の反射位置が望遠鏡１１の光軸に来るように第１共振器ミラー４の位置を微調整する。
【００２１】
なお、自由電子レーザの光軸は、アンジュレーター１の両端に付けられた罫書き線に基づいて決めることができる。また、共振器チャンバーに付けられた罫書き線を基準としても良い。装置の位置調整が精密であれば、これらの罫書き線は全て一直線上に並び、自由電子レーザの光軸は一意に決定される。
次に、望遠鏡１１を反転して、今度は第２共振器ミラー６に向け、自由電子レーザの取り出し窓の位置が望遠鏡１１の光軸に来るように第２共振器ミラー６の位置調整をする。
【００２２】
この結果、第１トランシット１０を用いて第１共振器ミラー４と第２共振器ミラー６のレーザ反射位置があるべき鉛直面内に納められる。
さらに、同様の手順で、第２トランシット１２の望遠鏡１３を用いて２つの共振器ミラーの反射位置があるべき水平面内に納められる。
こうして、２つの共振器ミラーの水平位置と垂直位置が決定される。
【００２３】
この後、自由電子レーザの発振調整を行い、第１共振器ミラー４と第２共振器ミラー６の向きを調整して、最も大きな出力が得られるようにする。既に共振器ミラーの位置調整は済んでいるので、発振調整では共振器ミラーのレーザ反射位置を中心とした回転による向きの調整を主に行えばよい。本実施例のアライメント装置の調整作業は、位置の調整と姿勢の調整を段階を追って行うため、短い時間で正確に行うことができる。
【００２４】
このようにして位置調整した共振器ミラーの位置は、共振器チャンバーの外側に付けた罫書き線に基づくものではなく、共振器ミラー自体の測定に基づいて決定されるので、位置誤差がなくまたチャンバーを真空引きしても変動しない。なお、本実施例の装置では共振器チャンバーが真空状態であっても位置調整することができるので、経時による寸法変化や発振条件の変更があったときにも、そのまま直ちに位置調整を行うことができる。
【００２５】
自由電子レーザ装置の利用施設において、特に可視光線領域外の自由電子レーザを使用するときは、自由電子レーザ発生装置からレーザ利用装置まで光線を導くような光学系を正確に構成することが極めて困難であった。このため、可視光のプローブレーザを導入し自由電子レーザの光軸上を走行するようにして、レーザ利用装置のアライメントに使用する。しかし、従来のプローブレーザはその光軸を自由電子レーザの光軸と一致させることが困難でかつどの程度乖離しているかを知ることが困難であった。このため、最終的な調整は、調整する光学系の近辺における自由電子レーザのエネルギー分布を測定してターゲット位置を決定する必要があった。
【００２６】
本実施例の共振系アライメント装置を用いてプローブレーザ用反射鏡５の位置を調整する場合は、上と同様にしてレーザ光軸に合わせた望遠鏡１１，１３の鏡身をビューポート２２，２４，２５，２６を通して反射鏡５に向け、プローブレーザの入射位置が自由電子レーザの光軸上に来るように調整する。
そして、図４に示すように、レーザ導入ノズル２６から可視領域のプローブレーザ光を導入し、反射鏡５で反射させて第２共振器ミラー６のカップリングホールに当てるようにする。プローブレーザ用反射鏡５の向きは図外の姿勢調整装置により調整することができる。自由電子レーザの光軸上の点で反射するプローブレーザが第２共振器ミラーの出力窓を通過するようにすれば、プローブレーザの光軸５１は自由電子レーザの光軸４１と一致することになるので、従来は困難であった両レーザの光軸を合致させることが可能となり、プローブレーザの光点がそのまま自由電子レーザの照射位置を示すので、光学系の調整が極めて容易になる。
【００２７】
以上説明したとおり、本実施例の共振器系アライメントは、共振器チャンバーに頼らず共振器ミラーの反射位置に基づいて位置を調整するため、製作精度や組み立て精度に影響を受けず、また真空状態による変形の影響も受けず、精度の高い共振器ミラーの位置調整ができる。したがって、自由電子レーザの光軸調整が極めて容易になる。
さらに、プローブレーザを自由電子レーザの光軸に正確に合わせることができるので、レーザ利用装置の光学調整も簡単に行うことができる。
【００２８】
なお、上記実施例においては、鉛直方向と水平方向にトランシットを設置してほぼ垂直な２方向からの測量により自由電子レーザの光軸を調整したが、鉛直や水平に限らず、トランシットの観測面が光軸を含み互いに交差した平面であればよい。
また、トランシットを２方面から使用して測定しているが、１方向しかトランシットで観測しない場合でも、発明の効果の一部を具現するものであることはいうまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の共振器系アライメントは、自由電子レーザ発生装置における共振器系のアライメントを従来と比較して各段に容易にかつ正確に行うことを可能にし、自由電子レーザの学術的あるいは工業的利用を容易にするために効果がある。また、プローブレーザのアライメントに使用すれば、特に可視領域外のレーザを利用する装置を正確にかつ容易に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例の共振器系アライメント装置の鉛直側トランシットを説明する側面図である。
【図２】本実施例の水平側トランシットを説明する平面図である。
【図３】本実施例の共振器チャンバーの外形を表す斜視図である。
【図４】本実施例のプローブレーザ光と共振器ミラー軸のと軸調整機構を説明する平面図である。
【図５】従来の共振器系アライメントにおける誤差を説明する側面図である。
【図６】従来の共振器系アライメントにおける誤差を説明する平面図である。
【符号の説明】
１  アンジュレータ
２，３  共振器チャンバー
４，６  共振器ミラー
５  プローブレーザ用反射鏡
７  真空ダクト
１０  第１トランシット
１１，１３  望遠鏡
１２  第２トランシット
２１，２２，２３，２４，３１，３２  ビューポート
２６  プローブレーザ導入ノズル
２７，２８  罫書き線プレート
４１  自由電子レーザ光軸
５１  プローブレーザ光軸
【図１】
0004836361.tif 000002
【図２】
0004836361.tif 000003
【図３】
0004836361.tif 000004
【図４】
0004836361.tif 000005
【図５】
0004836361.tif 000006
【図６】
0004836361.tif 000007