(57)【要約】【要約書】【課題】  Ｑスイッチを行う場合でも狭いパルス幅及び線幅で自由電子レーザーのミクロパルスを成長させることができる蓄積リング型自由電子レーザーとその高輝度化方法を提供することを目的とする。【解決手段】  Ｑスイッチ時に２段階以上の利得制御を行うことにより、バンチ加熱によるエネルギー拡がりの特徴をうまく利用し、Ｑスイッチを行う場合でも狭いパルス幅及び線幅で自由電子レーザーのミクロパルスを成長させ、より強いピーク出力と狭い線幅を得る手段を採用する。具体的には、大略、有効利得をある時間一定に保つプレナローイング（ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇ）の手法を用いる。【選択図】  図１
2005244109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振経路中に光量を調節するチョッパーを備え、電子ビームの供給経路に高周波空洞を有する光共振器からなる蓄積リング型自由電子レーザー装置において、
蓄積リングにおける電子ビームの電流値を検出して自由電子レーザーの利得を求め、前記利得と一定の有効利得の偏差に応じてチョッパーの開口量を変えて、共振器内の光量を調節するようにしたことを特徴とする蓄積リング型自由電子レーザー装置。
【請求項２】
共振経路中に光量を調節するチョッパーを備え、電子ビームの供給経路に高周波空洞を有する光共振器からなる蓄積リング型自由電子レーザー装置において、
蓄積リングにおける電子ビームの電流値を検出して自由電子レーザーの利得を求め、前記利得と一定の有効利得の偏差に応じて高周波空洞へ供給する周波数を調整して、自由電子レーザーミクロパルスと電子バンチとの重畳を調節するようにしたことを特徴とする蓄積リング型自由電子レーザー装置。
【請求項３】
共振経路中に光量を調節するチョッパーを備え、電子ビームの供給経路に高周波空洞を有する光共振器からなる蓄積リング型自由電子レーザー装置において、
蓄積リングにおける電子ビームの電流値を検出して自由電子レーザーの利得を求め、前記利得と一定の有効利得の偏差に応じて共振器内の光パルスと電子ビームの重なる角度を決めるコイルの電流値を調整して、自由電子レーザーミクロパルスと電子バンチとの重畳を調節するようにしたことを特徴とする蓄積リング型自由電子レーザー装置。
【請求項４】
共振経路中に光量を調節するチョッパーを備え、電子ビームの供給経路に高周波空洞を有する光共振器からなる蓄積リング型自由電子レーザー装置において、
前記検出する対象を、蓄積リングの電子ビームの電流値と共振器の出力光の強度としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蓄積リング型自由電子レーザー装置。
【請求項５】
蓄積リングにおける電子ビームの電流値を検出して自由電子レーザーの利得を求め、前記利得と一定の有効利得の偏差に応じてチョッパーの開口量を変えて、共振器内の光量を調節するようにしたことを特徴とする蓄積リング型自由電子レーザー装置の高輝度化方法。
【請求項６】
蓄積リングにおける電子ビームの電流値を検出して自由電子レーザーの利得を求め、前記利得と一定の有効利得の偏差に応じて高周波空洞へ供給する周波数を調整して、
自由電子レーザーミクロパルスと電子バンチとの重畳を調節するようにしたことを特徴とする蓄積リング型自由電子レーザー装置の高輝度化方法。
【請求項７】
蓄積リングにおける電子ビームの電流値を検出して自由電子レーザーの利得を求め、前記利得と一定の有効利得の偏差に応じて共振器内の光パルスと電子ビームの重なる角度を決めるコイルの電流値を調整して、自由電子レーザーミクロパルスと電子バンチとの重畳を調節するようにしたことを特徴とする蓄積リング型自由電子レーザー装置の高輝度化方法。
【請求項８】
前記検出する対象を、蓄積リングの電子ビームの電流値と共振器の出力光の強度としたことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項記載の蓄積リング型自由電子レーザー装置の高輝度化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長が遠赤外からＸ線領域までを発光しうる蓄積リング型自由電子レーザー装置とその高輝度化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自由電子レーザー装置は、真空中をほぼ高速度で周期的に蛇行する電子または陽電子が電磁場と相互作用し、吸収を上回る誘導放出を起こす現象を利用して、電磁波の増幅・発振を行う装置をいう。通常のレーザーが、原子等にトラップされた電子によるエネルギー準位間の吸収・誘導放出を利用するのと異なり、束縛のない自由な電子を使用するため、ミリ波から真空紫外領域に及ぶ波長域で発振が実現されている。このうち蓄積リング型自由電子レーザー装置とは、電子ビームの加速に蓄積リングを使用する自由電子レーザー装置を指す。蓄積リング型自由電子レーザーは波長分解能もよく、既存の光源のない真空紫外域や赤外域での光源として期待されている。
【０００３】
蓄積リング型自由電子レーザー装置は、電子ビームを維持する蓄積リング、光の発生・増幅を行うアンジュレータ、アンジュレータからの自発放出光を蓄えて増幅に寄与する光共振器で構成される。電子ビームがアンジュレータの周期的電磁場を通過すると、シンクロトロン光のある波長で可干渉的になり、強い発光をする。この光パルスをミラーで構成される光共振器によって閉じこめて、周回する電子ビームと同期をとる。電子ビームがアンジュレータの周期電磁場を通過するときに、この光パルスと重畳するとアンジュレータ電磁場によって誘導放出を起こし、特定の波長を増幅する。これが蓄積リング型自由電子レーザーの増幅過程である。
この増幅時には、電子ビームが光パルスにエネルギーを与えることになるので、電子ビームのエネルギー拡がりは拡大して利得が下がりだし、それが共振器損失を上回ると、増幅から減衰へと転じる。エネルギー拡がりは、この増幅過程よりも長い時間スケールである放射減衰によって回復する。このため、発振に至る過程が緩やかであれば持続型の発振になるが、急激な発振を起こした場合は、電子ビームの劣化に修復が間に合わなくなり、発振は間欠的になる。その代わり急激な発振なのでピーク出力は大きいという利点もある。
【０００４】
利得を何らかの方法で抑制しておいてから、一気に利得を増大させることによって高い出力を得る方法をＱスイッチ（例えば、特許文献１参照）と呼ぶ。蓄積リング型自由電子レーザーで使用されるＱスイッチは、ＲＦ周波数を変調したり応答速度の速いコイルを使用したりして電子ビームの状態を変えることで電子ビームと光共振器内に蓄積されている光パルスとの重畳をずらすか、光共振器内の光パルスをはき出すことで、利得を制御していた。電子ビームの状態を変えるＱスイッチは、比較的容易に実現できる利点があるが、利得を増大させるときに電子ビームが移動するため、ミクロパルスのパルス幅や線幅を拡げやすい。一方で光パルスをはき出すＱスイッチは、光路中に素子を挿入する場合は有効利得を下げることになり、また共振器ミラーを動かす場合には制御が困難であるという欠点がある。いずれのＱスイッチの場合も利得の調整に関しては、低く抑制した状態から一気に最大にする方法がとられており、高いピーク出力を得ることが主目的であって、Ｑスイッチ中の細かな利得変化について言及されていなかった。
【特許文献１】特開２００３−２０９３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記Ｑスイッチを行うと高い有効利得が一時的に得られるため、自由電子レーザーミクロパルスは広いパルス幅及び線幅で成長することになる。そのため、ｃｗ（連続発振）発振に比べてピーク出力は大きくなるが、パルス幅及び線幅はかなり大きくなり自由電子レーザーの品質が劣化してしまう問題があった。また、従来のＱスイッチ法では、電子ビームに余計な擾乱を与えたり、Ｑスイッチ時の有効利得を下げてしまうといった問題もあった。
本発明は、上記問題点に鑑み、Ｑスイッチを行う場合でも狭いパルス幅及び線幅で自由電子レーザーのミクロパルスを成長させることができる蓄積リング型自由電子レーザーとその高輝度化方法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】
【０００６】
本発明は、Ｑスイッチ時に２段階以上の利得制御を行うことにより、バンチ加熱によるエネルギー拡がりの特徴をうまく利用し、Ｑスイッチを行う場合でも狭いパルス幅及び線幅で自由電子レーザーのミクロパルスを成長させ、より強いピーク出力と狭い線幅を得る手段を採用する。具体的には、大略、有効利得をある時間一定に保つプレナローイング（ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇ）の手法を用いる。
機能的には、まず、機械的に共振光の一部を遮断することによって有効利得を小さな正の値まで下げることで、電子ビームに変化を与えずに、時間的波長的にごく一部の共振光成分だけを増幅させる（ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇと呼ぶ）。しばらくこの状態を保持し、ミクロパルス強度がｃｗ発振の強度と同程度になった後に遮光していた機械的アパーチャーを一気に外すことでＱスイッチをかける。充分な有効利得がある場合には、このことによりミクロパルス出力が減少することはなく、ミクロパルスのパルス幅及び線幅が減少するのでピーク出力を増大できる。
【０００７】
具体的には以下のような解決手段を採用する。
（１）  共振経路中に光量を調節するチョッパーを備え、電子ビームの供給経路に高周波空洞を有する光共振器からなる蓄積リング型自由電子レーザー装置は、蓄積リングにおける電子ビームの電流値を検出して自由電子レーザーの利得を求め、前記利得と一定の有効利得の偏差に応じてチョッパーの開口量を変えて、共振器内の光量を調節する。
（２）  共振経路中に光量を調節するチョッパーを備え、電子ビームの供給経路に高周波空洞を有する光共振器からなる蓄積リング型自由電子レーザー装置は、蓄積リングにおける電子ビームの電流値を検出して自由電子レーザーの利得を求め、前記利得と一定の有効利得の偏差に応じて高周波空洞へ供給する周波数を調整して、自由電子レーザーミクロパルスと電子バンチとの重畳を調節する。
（３）  共振経路中に光量を調節するチョッパーを備え、電子ビームの供給経路に高周波空洞を有する光共振器からなる蓄積リング型自由電子レーザー装置は、蓄積リングにおける電子ビームの電流値を検出して自由電子レーザーの利得を求め、前記利得と一定の有効利得の偏差に応じて共振器内の光パルスと電子ビームの重なる角度を決めるコイルの電流値を調整して、自由電子レーザーミクロパルスと電子バンチとの重畳を調節する。
（４）  共振経路中に光量を調節するチョッパーを備え、電子ビームの供給経路に高周波空洞を有する光共振器からなる上記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の蓄積リング型自由電子レーザー装置は、前記検出する対象を、蓄積リングの電子ビームの電流値と共振器の出力光の強度とする。
（５）  蓄積リング型自由電子レーザー装置の高輝度化方法は、蓄積リングにおける電子ビームの電流値を検出して自由電子レーザーの利得を求め、前記利得と一定の有効利得の偏差に応じてチョッパーの開口量を変えて、共振器内の光量を調節する。
（６）  蓄積リング型自由電子レーザー装置の高輝度化方法は、蓄積リングにおける電子ビームの電流値を検出して自由電子レーザーの利得を求め、前記利得と一定の有効利得の偏差に応じて高周波空洞へ供給する周波数を調整して、自由電子レーザーミクロパルスと電子バンチとの重畳を調節する。
（７）  蓄積リング型自由電子レーザー装置の高輝度化方法は、蓄積リングにおける電子ビームの電流値を検出して自由電子レーザーの利得を求め、前記利得と一定の有効利得の偏差に応じて共振器内の光パルスと電子ビームの重なる角度を決めるコイルの電流値を調整して、自由電子レーザーミクロパルスと電子バンチとの重畳を調節する。
（８）  上記（５）乃至（７）のいずれか１項記載の蓄積リング型自由電子レーザー装置の高輝度化方法は、前記検出する対象を、蓄積リングの電子ビームの電流値と共振器の出力光の強度とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明を使用することにより、従来のＱスイッチによる自由電子レーザーよりも、自由電子レーザーミクロパルスの運動が少なくなり、安定した発振を繰り返して得ることができるようになる。
また、Ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇを用いることにより、従来のＱスイッチよりも自由電子レーザーミクロパルスのパルス幅及び線幅を低減できる。その結果、高いピーク強度及びスペクトル輝度を得ることができる。
【０００９】
蓄積リング型自由電子レーザーミクロパルスの時間発展は、自由電子レーザーと周回する電子バンチとの相互作用による、自由電子レーザー強度と電子バンチのエネルギー拡がりの関係を記述したバンチ加熱理論によって説明できる。この理論によれば、エネルギー拡がりの２乗は自由電子レーザー強度に比例して増加する。電子バンチが充分に冷えた状態、即ち自由電子レーザー発振が放射減衰時間程度行われていない状態では、初期値のエネルギー拡がりは小さく、そのため充分な自由電子レーザー利得がある。有効利得が０を超えていると、自由電子レーザーの増幅が始まる。自由電子レーザーの利得は電子バンチ内部に一様ではなく、電子バンチの電子密度に比例した分布をしている。そのため、共振器内を往復する光パルス内において増幅が生じるのは、電子バンチの中心付近と重畳する一部だけである。一方で、有効利得がある程度小さくなると、パルス幅及び線幅は増大していく。特に有効利得が小さな正の値の場合は、ごく狭い領域だけが増幅し、ミクロパルス強度の成長は遅い。つまり、長い時間かけてパルス幅や線幅が狭くなるようにミクロパルスが成長するのである。これが、Ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇによって狭いパルス幅と線幅のミクロパルスが形成される理由である。上記理論によれば、自由電子レーザー強度がｃｗ発振の強度に達すると飛躍的にエネルギー拡がりが増大するが、それまではエネルギー拡がりの増大はわずかである。そのため、自由電子レーザー強度がｃｗ発振の強度に達してから利得を解放しＱ−スイッチを行っても、通常のＱ−スイッチと同程度のミクロパルス強度を得ることができる。つまり、Ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇを行ってもミクロパルス強度は変化せず、パルス幅及び線幅が狭くなるので、スペクトル輝度が飛躍的に増大するのである。一般のＱ−スイッチでは、小さいエネルギー拡がりから一気に利得を解放するために、急激にミクロパルス強度が成長するので、パルス幅や線幅を短くできる時間が短いのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の実施例を図に基づいて詳細に述べ、本発明の効果をさらに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明のＲＦモーターで駆動するチョッパー装置を用いた蓄積リング自由電子レーザー装置の光共振器の概略図である。
図１において、蓄積リング型自由電子レーザー装置１０は、主に、光パルスの量を調節するチョッパー装置１６を有する光共振器１１と、電子ビームと光パルスとの重畳を調節するＲＦ（高周波）キャビティ１９と、それらの制御系からなる。
光共振器１１は、電子ビームの入出力口を備えた真空容器１８の内部に、共振器ミラー１２および１３と、光パルスの光路を開閉するチョッパー１４とそのチョッパー１４を回転駆動するＲＦ（高周波）モーター１５とそれらを保持する精密位置調整器１７とからなるチョッパー装置１６と、を収納する。
ＲＦ（高周波）キャビティ１９は、真空容器１８の電子ビーム入出力口のいずれかに配置され、電子ビームの位相を調節する。
【００１２】
光検出器２４は、光共振器１１から出力される光パルス（自由電子レーザーミクロパルス）を測定する。
ステアリングコイル２５は、電子バンチ電流を制御する。
電流モニタ２６は、真空容器１８の電子ビーム入出力口のいずれかに配置され、電子バンチ電流を観測する。
制御用コンピュータ２７は、電流モニタ２６の検出電流および光検出器２４のパルス強度を取り込んで、信号発信器２１を介してＲＦキャビティ１９を制御して電子ビームの位相を調節し、各チョッパーごとに独立に設置された精密位置調整器１７および位相調整器２２を介してチョッパー１４を移動して光パルス値を調整し、また、ステアリングコイル電流を調整して電子バンチ電流を調整して、装置の有効利得を制御する。
制御系は、信号発生器２１から高周波信号を受け取りそれを増幅するＲＦ電源２０と、その増幅された高周波を共振させて電子バンチ加速及びバンチ化を行うＲＦキャビティ１９、さらにＲＦ電源２３の位相を、２１からの制御信号と整合させて位相調整を行う位相調整器２２とその調整後の高周波によって駆動されるＲＦモーター１５からなる。
蓄積リングとして独立行政法人産業技術総合研究所のＮＩＪＩ−ＩＶを使用し、自由電子レーザーの発振波長を約２００ｎｍとする。蓄積電流が１５ｍＡの時における蓄積リングＮＩＪＩ−ＩＶ電子ビームの特性を表１に示す。
【００１３】
【表１】
2005244109.tif 000003
理論計算による自由電子レーザーの最大利得は約８％であるが、電子ビームと光パルスのマッチングが良くないので、実験から推測される最大利得は約４％である。共振器に使用するミラーは、１％程度の高透過率のものを使用すると、共振器損失は約２％になる。実際のミラーの共振器損失には波長依存性があり、ここでは自由電子レーザーの発振波長を２００．２４ｎｍ、共振器損失を１．９６％で計算する。光共振器の長さは１４．８ｍとする。
【００１４】
次に真空対応のＲＦモーター１５を用いたチョッパー装置１６について説明する。図１が示すように、チョッパー装置１６は光共振器１１の中の超高真空内に設置される。チョッパー装置１６はディスク状のチョッパー１４、チョッパー１４を高速で回転させるＲＦモーター１５（例えば、ブラシレスＤＣモーター、ステッピングモーター等）、ＲＦモーター１５を保持する精密位置調整器１７で構成される。ＲＦモーター１５は高周波電源２３によって駆動され、その中に位相調整器２２を置くことにより、よく用いられている周回周波数変調によるＱスイッチとの同期調整が可能になる。
蓄積リング内に取り付けられた電流モニタ２６により電子バンチ電流を観測して自由電子レーザー利得を求め、精密位置調整器１７もしくは信号発生器２１の周波数またはステアリングコイル電流を調整することにより、有効利得を制御できる。さらに、自由電子レーザーミクロパルスの強度を光検出器２４で観測し、電流値との情報を制御用コンピュータ２７で管理することによって有効利得を制御することもできる。
【実施例２】
【００１５】
図２は、本発明のＰｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇ用チョッパーの概略図である。
チョッパー１４は、図２に示すような円盤型で、共振光が透過できるように外周部に浅い切り欠き部ａおよび深い切り欠き部ｂもしくは円盤内部に空隙（周囲が閉じた形状の開口：図示省略）を持ち、共振光を遮光および通過させることで共振器損失を調整できるようになっている。チョッパー１４は高速で回転するため、切り欠き部ａおよびｂは回転中心に対して対称に１対開けてある。Ｑスイッチを有効に使うため、一つの切り欠きに使用する角度は９０度以内にする。Ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇを行うので、切り欠きの幅は２種類以上必要である。最小の２種類の場合は、共振光の一部が透過できる最初の切り欠きａを用いて有効利得を小さな正の値にし、次に共振光がほぼ完全に透過できる幅の切り欠きｂを選びＱスイッチを行う。実施例２の場合、切り欠きａは中心角約６３．３６度、切り欠きｂは中心角約１７．２８度である。
【００１６】
Ｑスイッチによるマクロパルスの典型的なパルス幅は０．１−０．２ｍｓである。Ｑスイッチにより電子バンチは加熱されてエネルギー拡がりが増大するため、もとの状態まで冷却するまでには２５−５０ｍｓかかる。この量は有効利得と放射ダンピング時間に依存している。マクロパルスのパルス幅がＱスイッチの繰り返し時間に比べてかなり短いので、チョッパーが一枚だけでは有効なＱスイッチを行えない。そのためＱスイッチの繰り返しは、従来の周回周波数変調によるＱスイッチ（典型的な過度時間は０．５ｍｓほど）や、もう一枚遅い回転数のチョッパーを設けることで制御する。
Ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇを行うチョッパーは、１枚でも十分可能であるが、同じ回転数及び同位相で逆回転をするもう一枚のチョッパーを使用することでより効率を上げられる。
【００１７】
図３は、本発明の複数のチョッパーを使用した場合のチョッパー装置の一例である。
この例では、Ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇ用のチョッパーを２枚、Ｑスイッチ繰り返し制御用チョッパー１枚の組み合わせについて考察する。
高速チョッパーＡ（１４ａ）はＲＦモーター（１５ａ）に軸支され、ＲＦモーター（１５ａ）は位相調整器２２ａに電気的に接続される。高速チョッパーＢ（１４ｂ）はＲＦモーター（１５ｂ）に軸支され、ＲＦモーター（１５ｂ）は位相調整器２２ｂに電気的に接続される。位相調整器２２ａと位相調整器２２ｂは高周波電源２３ａに接続される。繰り返し用の低速チョッパー（１４ｃ）はＲＦモーター（１５ｃ）に軸支され、ＲＦモーター（１５ｃ）は位相調整器２２ｃを介して高周波電源２３ｃに接続される。精密位置調整器１６a、１６ｂ、１６ｃはそれぞれ、高速チョッパーＡ（１４ａ）、高速チョッパーＢ（１４ｂ）および低速チョッパー（１４ｃ）の切り欠きが自由電子レーザーの共通の光路を開閉するように、それらチョッパーを軸支する各ＲＦモーター（１５ａ）、（１５ｂ）および（１５ｃ）を支持する。
【００１８】
切り欠きａの幅は、チョッパーの回転速度に依存するので、まず回転速度を決めておく。真空対応の高周波モーターはターボ分子ポンプ等に使用されており、半径１００ｍｍ以上で毎秒５００回転以上の性能が可能である。計算を簡単化するため、この例ではチョッパー半径を１０２．５ｍｍ、回転数を毎秒３２０回転とする。外周での回転速度は約２００ｍ／Ｓであり、一周に要する時間は３．１２５ｍｓである。チョッパーの位置は、光共振器の中心から６．４ｍとする。この位置における波長２００ｎｍの自由電子レーザーのビームサイズは、０．９３５ｍｍである。従って回折を無視すれば、光ビームの中央から２ｍｍほど遮光した状態で光ビームの約９９．７％を、３ｍｍほど遮光した状態ならば光ビームの９９．９％以上をカットできる。そこで２枚のチョッパーは、それぞれの軸中心が光ビーム軸から９９．５ｍｍ離れ、対称位置になるように設定する。２枚のチョッパーを組み合わせた場合、１０mｓで開口部の高さが４ｍｍに達するので、電子ビームの状態を変えるＱスイッチよりも反応が早い。一つの切り欠きに使用する角度は９０度以内が望ましいので、Ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇの時間は０．６ｍｓ以内でなければならない。ここではその時間を０．５５ｍｓとする。バンチ加熱理論によれば、自由電子レーザーミクロパルスの強度が飽和強度に達するまではエネルギー拡がりの増大が比較的緩やかなので、Ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇを始めてから０．５５ｍｓ後（６３．３６度）にミクロパルス強度が飽和強度に達するような有効利得を選ぶ。
【００１９】
図４に本発明の自由電子レーザー利得の時間変化を示す。利得の単位は％、時間の単位はミリ秒（ｍｓ）である。２ステップ（ｓｔｅｐ：利得特性の平坦部）の場合は実線で示し、４ステップ（ｓｔｅｐ）の場合は点線で示す。
この例では、シミュレーションによると有効利得が０．１７％であれば良く、一枚のチョッパーは光パルスの中心から内側に０．４８０ｍｍの幅まで切り欠きをもつ。切り欠きの幅が１０mｍずれると有効利得が０．０４％ずれ、Ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇの効果が少し低減するので、スリット加工精度及び高周波モーターの軸ブレは数mｍ以内に抑える必要がある。２段目の切り欠きの幅は光ビーム軸から３ｍｍあれば充分であり、０．１５ｍｓ間開口していればよいので、切り欠きの角度は１７．２８度とする。時間が進みチョッパーが対称位置の切り欠きまで回転したときには、遅い回転のチョッパーが自由電子レーザーを遮光するようになる。遅い回転のチョッパーの次のスリットに達するまで、しばらく発振が止まる。
【００２０】
Ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇを用いたＱスイッチと通常のＱスイッチによる自由電子レーザーミクロパルスのパルス幅と線幅の時間発展を、一次元バンチ加熱理論を用いてシミュレーションした結果を図５および図６に示す。
図５および図６は、蓄積リング自由電子レーザー装置に本発明のＰｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇを用いた場合と用いなかった場合の、パルス幅（単位：ピコ秒（ｐｓ））と線幅（単位：ナノメータ（ｎｍ））の時間（単位：マイクロ秒（ｍｓ））発展図（実線）である。図中には補助のため、自由電子レーザー強度（点線）も記してある。
図５は、半値全幅（ＦＷＨＭ）におけるパルス幅（Ｐｕｌｓｅ  ｗｉｄｔｈ：単位ｐｓ）の時間変化（実線）を示す図と自由電子レーザー強度（点線：単位相対強度（ａ．ｕ．））特性図、図６は、半値全幅（ＦＷＨＭ）における線幅（Ｌｉｎｅ  ｗｉｄｔｈ：単位ｎｍ）の時間変化（実線）を示す図と自由電子レーザー強度（点線：単位相対強度（ａ．ｕ．））特性図である。
【００２１】
図５の実線ａ１１は従来のＱ−ｓｗｉｔｃｈ法によるパルス幅の時間発展、図５の点線ａ１２は従来のＱ−ｓｗｉｔｃｈ法を行ったときの自由電子レーザー強度の時間発展、図５の実線ｂ１１は本発明のＱ−ｓｗｉｔｃｈ法を１回行った場合のパルス幅の時間発展、図５の点線ｂ１２は本発明のＱ−ｓｗｉｔｃｈ法を１回行ったときの自由電子レーザー強度の時間発展、図５の実線ｃ１１は本発明のＱ−ｓｗｉｔｃｈ法を２回行った場合のパルス幅の時間発展、図５の点線ｃ１２は本発明のＱ−ｓｗｉｔｃｈ法を２回行ったときの自由電子レーザー強度の時間発展、
図６の実線ａ２１は従来のＱ−ｓｗｉｔｃｈ法による線幅の時間発展、図６の点線ａ２２は従来のＱ−ｓｗｉｔｃｈ法を行ったときの自由電子レーザー強度の時間発展、図６の実線ｂ２１は本発明のＱ−ｓｗｉｔｃｈ法を１回行った場合の線幅の時間発展、図６の点線ｂ２２は本発明のＱ−ｓｗｉｔｃｈ法を１回行ったときの自由電子レーザー強度、図６の実線ｃ２１は本発明のＱ−ｓｗｉｔｃｈ法を２回行った場合の線幅の時間発展、図６の点線ｃ２２は本発明のＱ−ｓｗｉｔｃｈ法を２回行ったときの自由電子レーザー強度、
を表す。
【００２２】
Ｐｒｅ−ｎａｗｒｒｏｗｉｎｇを用いた場合は有効利得を０．５５ｍｓの時間だけ一定にしているので、自由電子レーザーミクロパルス強度が立ち上がるのが、通常のＱスイッチよりも０．５ｍｓほど遅れる。これらの図が示しているように、自由電子レーザー強度が立ち上がりある程度減衰するまではパルス幅及び線幅が減少するが、Ｐｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇを用いることで最小となるパルス幅及び線幅は通常のＱスイッチに比べてほぼ半減する。また、Ｐｒｅ−ｎａｗｒｒｏｗｉｎｇの操作を繰り返した方が更に減少量が多いことがわかる。表２はＰｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇを用いた場合と用いなかった場合のピーク強度におけるパルス幅及び線幅を示している。この表が示すように、Ｐｒｅ−ｎａｗｒｒｏｗｉｎｇを行わなければ、有効利得が増加するにつれてパルス幅及び線幅も増加するが、Ｐｒｅ−ｎａｗｒｒｏｗｉｎｇを行わなければそれらはほとんど変化しない。その効果は有効利得が大きいほどより顕著であることがわかる。従って、Ｐｒｅ−ｎａｗｒｒｏｗｉｎｇを用いたＱスイッチ法は高輝度な自由電子レーザーを作りだす有益な手法である。
【００２３】
【表２】
2005244109.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のＲＦモーターで駆動するチョッパー装置を用いた蓄積リング自由電子レーザー装置の光共振器の概略図である。
【図２】本発明のＰｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇ用チョッパーの概略図である。
【図３】本発明の複数のチョッパーを使用した場合のチョッパー装置の一例である。
【図４】本発明の自由電子レーザー利得の時間変化を示す図である。
【図５】蓄積リング自由電子レーザー装置に本発明のＰｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇを用いた場合と用いなかった場合の、パルス幅の時間発展図（実線）である。図中には補助のため、自由電子レーザー強度も記してある（点線）。
【図６】蓄積リング自由電子レーザー装置に本発明のＰｒｅ−ｎａｒｒｏｗｉｎｇを用いた場合と用いなかった場合の、線幅の時間発展図（実線）である。図中には補助のため、自由電子レーザー強度も記してある（点線）。
【符号の説明】
【００２５】
１０    蓄積リング自由電子レーザー装置
１１    光共振器
１２、１３    共振器ミラー
１４    チョッパー
１４ａ、１４ｂ    高速チョッパー
１４ｃ    低速チョッパー
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ    ＲＦモーター
１６    チョッパー装置
１７    精密位置調整器
１８    真空容器
１９    ＲＦ（高周波）キャビティ
２０    ＲＦ電源
２１、２３、２３ａ、２３ｃ    ＲＦ（高周波）電源
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ    位相調整器
２４    光検出器
２５    ステアリングコイル
２６    電流モニタ
２７    制御用コンピュータ
【図１】
2005244109.tif 000005
【図２】
2005244109.tif 000006
【図３】
2005244109.tif 000007
【図４】
2005244109.tif 000008
【図５】
2005244109.tif 000009
【図６】
2005244109.tif 000010