(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光の直交する偏光成分間に時間遅延を与える複屈折素子と、
前記複屈折素子からのパルス光のパルス形状を調整する調整手段と、
前記パルス光の光路中に挿脱可能に設けられ、前記複屈折素子から出射したパルス光の直交する偏光成分の一方を他方の偏光成分から取り出す手段と、
前記調整手段により前記パルス形状を調整するために、前記手段によって取り出された前記一方の偏光成分に応じた測定を行う測定器と、を備えるパルス整形装置。
【請求項２】
タイミングがずれた２つのパルス光を含む第１の光ビームを出射する第１のスタックユニットと、
タイミングがずれた２つのパルス光を含む第２の光ビームを出射する第２のスタックユニットと、
第１及び第２のスタックユニットの後段において、前記第１及び第２の光ビームを合成する後段側光合成手段と、
前記後段側光合成手段と前記スタックユニットとの間に配置され、前記第１の光ビームのプロファイルを変化させるプロファイル変化手段と、を備え、
前記第１及び第２のスタックユニットのそれぞれが請求項１に記載のパルス整形装置によって構成され、
前記手段が光路中から取り除いた状態となっているパルス整形装置。
【請求項３】
前記後段側光合成手段が前記一方の光ビームと前記他方の光ビームを合成する偏光ビームスプリッタであり、前記後段側光合成手段から出射する偏光成分を利用光とし、前記後段側光合成手段から漏れてくる無偏光成分を測定光とし、
前記測定光のパルス形状の測定結果に基づいて、前記利用光のパルス形状を調整する請求項２に記載のパルス整形装置。
【請求項４】
時間に応じて波長が変化するプローブ光を発生する手段と、
前記測定光と前記プローブ光とが同期して入射する非線形光学素子と、
前記非線形光学素子から出射する光のスペクトルを測定する分光器と、をさらに備え、
前記分光器での測定結果に基づいて、前記パルス光の進行方向におけるパルス形状を調整する請求項３に記載のパルス整形装置。
【請求項５】
前記後段側光合成手段が無偏光ビームスプリッタである請求項２に記載のパルス整形装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパルス整形装置と、
前記パルス整形装置で整形されたパルス光が入射するフォトカソードと、を備える電子銃。
【請求項７】
前記フォトカソードで発生した電子ビームのバンチ形状を測定し、
前記バンチ形状の測定結果に基づいて、前記パルス形状を調整する請求項６に記載の電子銃。
【請求項８】
前記電子ビームのバンチ内電子をエネルギーに応じて空間的に分散させた後、バンチ内電子の空間分布を測定し、
前記空間分布の測定結果に基づいて、前記パルス光の進行方向におけるパルス形状を調整する請求項７に記載の電子銃。
【請求項９】
パルス光の直交する偏光成分間に対して、時間遅延を与える複屈折素子と、
前記複屈折素子からのパルス光のパルス形状を調整する調整手段と、を用いたパルス整形方法であって、
前記複屈折素子から出射したパルス光の直交する偏光成分の一方を他方の偏光成分から取り出すステップと、
前記調整手段により前記パルス形状を調整するために、前記取り出された一方の偏光成分に応じた測定を行うステップと、
前記測定を行うステップでの測定結果に基づいて、パルス形状を調整するステップと、を備えるパルス整形方法。
【請求項１０】
タイミングがずれた２つのパルス光を含む第１の光ビームを出射するステップと、
タイミングがずれた２つのパルス光を含む第２の光ビームを出射するステップと、
前記第１の光ビームのプロファイルを変化させるステップと、
前記第２の光ビームと、前記プロファイルが変化した前記第１の光ビームとを合成して、出射するステップと、を備え、
前記第１及び第２の光ビームのそれぞれが請求項９に記載のパルス整形方法によって整形された２つのパルス光を含む光ビームであるパルス整形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス光を整形するパルス整形装置、及びパルス整形方法、並びに、整形されたパルス光を用いた電子銃に関する。
【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高品質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】
フォトカソード電子銃を用いる場合、レーザ光のパルスを整形することによって、電子バンチを所望の形状にすることができる。すなわち、パルス形状を整形することで、電子ビームの高品質化を図ることができる。このため、レーザ光のパルスを所望の形状に整形することが望まれている。例えば、パルススタッカーを用いてレーザ光を円筒形状に整形する技術が開示されている（非特許文献１）。ここで、パルススタッカーは、波長板と偏光ビームスプリッタで構成されている（非特許文献２）。そして、偏光ビームスプリッタキューブにより、各偏光成分（Ｓ偏光とＰ偏光）に分岐する。そして、分岐されたパルス光に光路長差を与えて、合成用の偏光ビームスプリッタで合成する。上記の文献では、３段分のスタックを用いているため、８つの分岐パルス光が重ね合わされている。このようなパルススタッカーでは、例えば、縦方向（光軸と平行方向）に関するパルス整形が可能になる。すなわち、分岐されたパルスレーザ光に与える光路長を調整することによって、縦方向に関してパルスを整形することができる。さらに、特許文献１に示すようなパルスレーザ光を用いた加工方法において、加工形状を制御するため、パルス光を所望の形状に整形することが望まれている。
【０００６】
パルスを整形する場合、実際に測定されたパルス形状に基づいて調整が行われる。レーザ光のパルス形状を測定する場合には、横方向（光軸と垂直な方向）のパルス形状は、例えば、ビームプロファイラーやＣＣＤカメラなどで測定することができる。また、縦方向のパルス形状は、例えば、ストリークカメラなどで測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２０５１７９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】冨澤宏光「加速器の要求に堪えるレーザ光源を目指して〜フォトカソードＲＦ電子銃用レーザ光源開発〜」加速器Ｖｏｌ３，Ｎｏ３，２００６（２５１−２６２）
【非特許文献２】株式会社ルミネックスホームページ[平成１９年６月１９日検索]、インターネット〈http://www.luminex.co.jp/Newcatalog/Pulse_Stacker_Kit/Pulse%20Stacker%20Kit.pdf〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来のパルス整形方法では、３次元的に整形することが困難であった。
すなわち、ビームプロファイラやＣＣＤカメラでは、パルス形状を時間的に積分して測定するため、縦方向の情報を得ることができない。また、ストリークカメラでは、横方向の情報を得ることができない。よって、パルス光を所望の形状に整形することが困難であるという問題点がある。
【００１０】
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、簡便にパルス光を整形することができるパルス整形装置、パルス整形方法、及びそれを用いた電子銃を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様にかかるパルス整形装置は、パルス光を２本の光ビームに分岐する光分岐手段と、前記光分岐手段によって分岐された２本の光ビームを合成する光合成手段と、前記光分岐手段から前記光合成手段に入射する２本の光ビームのパルス光に光路長差を与えて、タイミングをずらす遅延手段と、前記光合成手段からのパルス光のパルス形状を調整する調整手段と、前記第１の光分岐手段と前記光合成手段との間において、前記光合成手段に入射する一方の光ビームを遮光可能な遮光部材と、前記調整手段により前記パルス形状を調整するために、前記遮光部材によって前記一方の光ビームを遮光した状態で前記他方の光ビームに応じた測定を行う測定器と、を備えるパルスものである。これにより、精度よく測定することができるため、簡素な構成でパルス光を整形することができる。
【００１２】
本発明の第２の態様にかかるパルス整形装置は、上記のパルス整形装置であって、回転可能に設けられたλ／２板が前記光分岐手段の前に配置され、前記光合成手段と前記光分岐手段とが偏光状態に応じて光を分岐する偏光ビームスプリッタであるものである。これにより、分岐される光ビームの強度を変えることができる。
【００１３】
本発明の第３の態様にかかるパルス整形装置は、上記のパルス整形装置であって、前記測定器が前記他方の光ビームのパルス形状を測定し、前記測定器で測定された前記他方の光ビームのパルス形状に基づいて、前記調整手段が前記パルス形状を調整するものである。これにより、パルス形状を正確に整形することができる。
【００１４】
本発明の第４の態様にかかるパルス整形装置は、上記のパルス整形装置であって、前記遅延手段によって与えられる光路長差が可変であることを特徴とするものである。これにより、縦方向のパルス形状を簡便に調整することができる。
【００１５】
本発明の第５の態様にかかるパルス整形装置は、上記のパルス整形装置であって、前記光合成手段が前記一方の光ビームと前記他方の光ビームを合成することによって、前記光合成手段から測定光と利用光とが分岐されて出射し、前記測定光のパルス形状の測定結果に基づいて、前記利用光のパルス形状を調整するものである。これにより、実際に利用される光の効率が低減するのを防ぐことができる。
【００１６】
本発明の第６の態様にかかるパルス整形装置は、パルス光の直交する偏光成分間に時間遅延を与える複屈折素子と、前記複屈折素子からのパルス光のパルス形状を調整する調整手段と、前記複屈折素子から出射したパルス光の直交する偏光成分の一方を他方の偏光成分から取り出す手段と、前記調整手段により前記パルス形状を調整するために、前記手段によって取り出された前記一方の偏光成分に応じた測定を行う測定器と、を備えるものである。これにより、より精度よく測定することができるため、簡便にパルス光を整形することができる。
【００１７】
本発明の第７の態様にかかるパルス整形装置は、上記のパルス整形装置であって、パルス光の直交する偏光成分の一方を他方の偏光成分から取り出す手段が、前記パルス光の光路中に挿脱可能に設けられているものである。これにより、簡便にマスクすることができる。
【００１８】
本発明の第８の態様にかかるパルス整形装置は、タイミングがずれた２つのパルス光を合成して、第１の光ビームを出射する第１のスタックユニットと、タイミングがずれた２つのパルス光を合成して、第２の光ビームを出射する第２のスタックユニットと、第１及び第２のスタックユニットの後段において、前記第１及び第２の光ビームを合成する後段側光合成手段と、前記後段側光合成手段と前記スタックユニットとの間に配置され、前記第１の光ビームのプロファイルを変化させるプロファイル変化手段と、を備えるものである。これにより、簡素な構成でパルス光を整形することができる。
【００１９】
本発明の第９の態様にかかるパルス整形装置は、上記のパルス整形装置であって、前記第１及び第２のスタックユニットのそれぞれが、主パルス光を２本の光ビームに分岐して前記２つのパルス光を生成する光分岐手段と、前記光分岐手段によって分岐された２本の光ビームを合成する光合成手段と、前記光分岐手段から前記光合成手段に入射する２本の光ビームのパルス光に光路長差を与えて、タイミングをずらす遅延手段と、前記第１の光分岐手段と前記光合成手段との間において、前記光合成手段に入射する一方の光ビームを遮光可能な遮光部材と、を備え、前記遮光部材によって前記一方の光ビームを遮光した状態で前記他方の光ビームに応じた測定を行う測定器での測定結果に基づいて、パルス形状を調整するものである。これにより、精度よく測定することができるため、簡便にパルス光を整形することができる。
【００２０】
本発明の第１０の態様にかかるパルス整形装置は、上記のパルス整形装置であって、前記後段側光合成手段が前記第１及び第２の光ビームを合成することによって、前記後段側光合成手段から測定光と利用光とが分岐されて出射し、前記測定光のパルス形状の測定結果に基づいて、前記利用光のパルス形状を調整するものである。実際に利用される光の効率が低減するのを防ぐことができる。
【００２１】
本発明の第１１の態様にかかるパルス整形装置は、上記のパルス整形装置であって、時間に応じて波長が変化するプローブ光を発生する手段と、前記測定光と前記プローブ光とが同期して入射する非線形光学素子と、前記非線形光学素子から出射する光のスペクトルを測定する分光器と、をさらに備え、前記分光器での測定結果に基づいて、前記パルス光の進行方向におけるパルス形状を調整するものである。これにより、縦方向のパルス形状を正確に測定することができるため、正確な整形が可能になる。
【００２２】
本発明の第１２の態様にかかるパルス整形装置は、上記のパルス整形装置であって、記後段側光合成手段が無偏光ビームスプリッタであるものである。
【００２３】
本発明の第１３の態様にかかる電子銃は、上記のパルス整形装置と、前記パルス整形装置で整形されたパルス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、高品質の電子ビームを得ることができる。
【００２４】
本発明の第１４の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記フォトカソードで発生した電子ビームのバンチ形状を測定し、前記バンチ形状の測定結果に基づいて、前記パルス形状を調整するものである。これにより、好適なバンチ形状の電子ビームを得ることができる。
【００２５】
本発明の第１５の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記電子ビームのバンチ内電子をエネルギーに応じて空間的に分散させた後、バンチ内電子の空間分布を測定し、前記空間分布の測定結果に基づいて、前記パルス光の進行方向におけるパルス形状を調整するものである。これにより、縦方向のバンチ形状を正確に測定することができるため、より正確に整形することができる。
【００２６】
本発明の第１６の態様にかかるパルス整形方法は、パルス光を２本の光ビームに分岐する光分岐手段と、前記光分岐手段によって分岐された２本の光ビームを合成する光合成手段と、前記光分岐手段から前記光合成手段に入射する２本の光ビームのパルス光に光路長差を与えて、タイミングをずらす遅延手段と、を備えたパルス整形装置を用いたパルス整形方法であって、前記光分岐手段で分岐された２本の光ビームのうちの一方の光ビームを遮光するステップと、前記一方の光ビームを遮光した状態で、他方の光ビームに応じた測定を行うステップと、前記測定を行うステップでの測定結果に基づいて、パルス形状を調整するステップと、を備えるものである。これにより、精度よく測定することができるため、簡便にパルス光を整形することができる。
【００２７】
本発明の第１７の態様にかかるパルス整形方法は、上記のパルス整形方法であって、前記光分岐手段で分岐された２本の光ビームのうちの他方の光ビームを遮光するステップと、前記他方の光ビームを遮光した状態で、一方の光ビームに応じた測定を行うステップと、をさらに備え、前記パルス形状を調整するステップでは、前記一方の光ビームに応じた測定を行うステップでの測定結果に基づいて、パルス形状を調整するものである。これにより、より精度よく測定することができるため、簡便にパルス光を整形することができる。また、空間整形技術と、時間整形技術が、お互いに影響しないため、独立に制御することができる。
【００２８】
本発明の第１７の態様にかかるパルス整形方法は、パルス光の直交する偏光成分間に対して、時間遅延を与える複屈折素子と、前記複屈折素子からのパルス光のパルス形状を調整する調整手段と、を用いたパルス整形方法であって、前記複屈折素子から出射したパルス光の直交する偏光成分の一方を他方の偏光成分から取り出すステップと、前記調整手段により前記パルス形状を調整するために、前記取り出された一方の偏光成分に応じた測定を行うステップと、前記測定を行うステップでの測定結果に基づいて、パルス形状を調整するステップと、を備えるものである。これにより、より精度よく測定することができるため、簡便にパルス光を整形することができる。
【００２９】
本発明の第１９の態様にかかるパルス整形方法は、タイミングがずれた２つのパルス光を合成して、第１の光ビームを出射するステップと、タイミングがずれた２つのパルス光を合成して、第２の光ビームを出射するステップと、前記第１の光ビームのプロファイルを変化させるステップと、前記第２の光ビームと、前記プロファイルが変化した前記第１の光ビームとを合成して、出射するステップと、を備えるものである。これにより、簡便にパルス光を整形することができる。
【００３０】
本発明の第２０の態様にかかるパルス整形方法は、上記のパルス整形方法であって、前記第１又は前記第２の光ビームに含まれる２つのパルス光の一方を遮光部材によって遮光し、前記遮光部材によって遮光された状態でのパルス形状の測定結果に基づいて、パルス形状を調整するものである。これにより、より精度よく測定することができるため、簡便にパルス光を整形することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、簡便にパルス光を整形することができるパルス整形装置、パルス整形方法、及びそれを用いた電子銃を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明にかかる電子銃の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明にかかる電子銃に用いられる光源部の構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかるパルススタッカーの構成を模式的に示す図である。
【図４】パルススタッカーでのパルス波形を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の実施の形態１の変形例にかかるスタッキングロッドの構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかるパルススタッカーの構成を模式的に示す図である。
【図７】時間方向におけるパルス形状を測定する測定部の構成を示す図である。
【図８】時間方向におけるパルス形状を測定する信号処理を説明するための図である。
【図９】時間方向におけるパルス形状を測定する信号処理を説明するための図である。
【図１０】時間方向におけるパルス形状を測定する信号処理を説明するための図である。
【図１１】時間方向におけるパルス形状を測定する信号処理を説明するための図である。
【図１２】時間方向におけるパルス形状を測定する信号処理を説明するための図である。
【図１３】時間方向におけるパルス形状を測定する信号処理を説明するための図である。
【図１４】本発明の実施例において、光変調器の２次分散を変えたときの、分散部での電子ビームのエネルギー分布を示す図である。
【図１５】本発明の実施例において、光変調器の２次分散を変えたときの、分散部での電子ビームのエネルギー分布を示す図である。
【図１６】本発明の実施例において、光変調器の２次分散を変えたときの、分散部での電子ビームのエネルギー分布を示す図である。
【図１７】本発明の実施例において、光変調器の２次分散を変えたときの、分散部での電子ビームのエネルギー分布を示す図である。
【図１８】本発明の実施例において、光変調器の２次分散を変えたときの、分散部での電子ビームのエネルギー分布を示す図である。
【図１９】本発明の実施例において、光変調器の２次分散を変えたときの、分散部での電子ビームのエネルギー分布を示す図である。
【図２０】本発明の実施例において、光変調器の２次分散を変えたときの、分散部での電子ビームのエネルギー分布を示す図である。
【図２１】本発明の実施例において、光変調器の２次分散を変えたときの、分散部での電子ビームのエネルギー分布を示す図である。
【図２２】本発明の実施例において、光変調器の２次分散を変えたときの、分散部での電子ビームのエネルギー分布を示す図である。
【図２３】本発明の実施例において、パルス光の空間プロファイルを示す図である。
【図２４】本発明の実施例において、パルス光の空間プロファイルを示す図である。
【図２５】本発明の実施例において、パルス光の空間プロファイルを示す図である。
【図２６】本発明の実施例において、パルス光の空間プロファイルを示す図である。
【図２７】本発明の実施例において、パルス光の空間プロファイルを示す図である。
【図２８】本発明の実施例において、パルス光の空間プロファイルを示す図である。
【図２９】本発明の実施例において、パルス光の空間プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の実施例ついて以下に図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施例を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施例に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものを実質的に同様の内容を示している。
発明の実施の形態１．
【００３４】
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。
【００３５】
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５３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、透過型のフォトカソードを有している。すなわち、電子ビーム出射側と反対側からレーザ光を照射している。さらに、電子銃１００は、パルスレーザ光を所望の形状に整形するためのパルス整形装置を有している。
【００３６】
本実施の形態にかかるビーム測定装置は、光源部１０、パルススタッカー２０、可変形ミラー４０（ＤＭ：Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ  Ｍｉｒｒｏｒ）、ミラー４１、レンズ４２、レンズ４３、レンズ４４、ミラー４５、ビームスプリッタ４６、カメラ４７、制御装置４８、フォトカソード５１、共振器５２、マイクロ波源５３、ビームモニタ５５、ウェッジ５６、ミラー５７、及びミラー５８を有している。
【００３７】
光源部１０は、フォトカソードに入射するパルス光を発生する。光源部１０では、パルスレーザ光のパルス幅が伸長されるとともに、パルスレーザ光がチャープされている。光源部１０から出射したパルス光は、ウェッジ５６を介してパルススタッカー２０に入射する。すなわち、光源部１０とパルススタッカー２０との間には４つの透明なウェッジ５６が設けられている。制御装置４８は、それぞれのウェッジ５６を駆動して、パルススタッカー２０に入射するパルス光の位置を調整する。例えば、それぞれのウェッジ５６を独立に回転させることによって、パルス光の位置を調整することができる。このようなウェッジ５６を用いることでポインティング補償を行うことができる。
【００３８】
パルススタッカー２０は、パルス光を分岐して複数のミクロパルスを生成する。さらに、パルススタッカー２０は、複数のミクロパルスを時間的にずらして合成する。これにより、パルス幅が長くなるようにパルス光が整形される。すなわち、縦方向（光軸と垂直な方向）のパルス形状が広くなる。なお、光源部１０、及びパルススタッカー２０の構成については、後述する。
【００３９】
パルススタッカー２０からのパルス光は、２枚のミラー５７を介して、可変形ミラー４０に入射する。すなわち、パルススタッカー２０と可変形ミラー４０の間には、２つのミラー５７が設けられている。また、パルススタッカー２０と可変形ミラー４０の間にレンズを設けて、パルス光をコリメートしてもよい。これにより、可変形ミラー４０に入射するビーム径を調整することができ、ビーム径を可変形ミラー４０の有効径以下にすることができる。制御装置４８は、それぞれのミラー５７を駆動して、可変形ミラー４０に入射するパルス光の位置を調整する。例えば、それぞれのミラー５７を独立に傾斜させることによって、パルス光の位置を調整することができる。このように、制御装置４８がミラー５７の角度を制御することによって、パルス光の位置を変化させることができる。このようなミラー５７を用いることでポインティング補償を行うことができる。
【００４０】
ミラー５７、及びウェッジ５６を用いてポインティング補償を行うことで、精度よく可変形ミラー４０に入射させることができる。すなわち、可変形ミラー４０におけるパルスレーザ光の位置ずれを防ぐことができる。これにより、高精度の整形が可能になる。なお、特願２００４−３０２３６号の匠アルゴリズムを用いてポインティング補償を行うことができる。さらに、遺伝的アルゴリズムや焼き鈍し法などの最適化アルゴリズムを用いてもよい。
【００４１】
可変形ミラー４０は、パルス光の横方向（光軸と垂直な方向）の形状を整形する。すなわち、可変形ミラー４０は、光軸と垂直な平面におけるパルス形状を整形する。具体的には、可変形ミラー４０が反射面の位置を変化させて、レーザ光の波面形状を調整する。このため、可変形ミラー４０には、例えば、ミラーの表面（反射面）形状を変更するために複数の電極（チャンネル）が設けられている。そして、それぞれの電極に印加する電圧を調整することにより、波面の形状が変化する。ミラーの表面形状を制御することにより、光学系の波面の補正や、反射ビームの方向、形状を制御できる。可変形ミラー４０としては、例えば、静電容量型、ピエゾアクチュエータ型などの物を用いることができる。可変形ミラー４０は、例えば、φ２０ｍｍ〜φ５０ｍｍの有効径を有している。
【００４２】
可変形ミラー４０からのパルス光は、ミラー４１、レンズ４２、レンズ４３、レンズ４４、及びミラー４５からなる伝播光学系を伝播する。すなわち、可変形ミラー４０で反射されたパルス光は、ミラー４１で反射される。そして、レンズ４２、レンズ４３、及びレンズ４４で屈折されてミラー４５に入射する。ミラー４５に入射したパルス光は、ビームスプリッタ４６の方向に反射される。このように、ミラー４１、レンズ４２、レンズ４３、レンズ４４、ミラー４５の順番で、パルス光が伝播していく。例えば、レンズ４２は、ｆ＝５１．５ｍｍの凸レンズであり、レンズ４３は、ｆ＝１００ｍｍの凹レンズであり、レンズ４４は、ｆ＝３００の凸レンズである。また、レンズ４２とレンズ４３との距離は２２ｍｍであり、レンズ４３とレンズ４４のとの距離は１０８ｍｍである。レンズ４２、レンズ４３、及びレンズ４４等によって、パルス光の横方向の形状が変形する。すなわち、レンズや窓材などの透過光学系の収差を利用することで、パルス光の横方向形状が変形する。
【００４３】
ミラー４５で反射されたパルス光は、ビームスプリッタ４６に入射する。ビームスプリッタ４６は、入射したパルス光を２本の光ビームに分岐する。ビームスプリッタ４６は入射したパルス光の一部をカメラ４７の方向に反射させる。カメラ４７は、例えば、アレイ状に受光素子が配列されたＣＣＤカメラなどの２次元カメラである。カメラ４７はパルス光のプロファイルを測定する。具体的には、カメラ４７が、光軸と垂直な平面におけるパルス形状を測定する。なお、時間積算型のカメラ４７を用いているため、１パルス全体の２次元形状が測定される。すなわち、カメラ４７の１フレームはパルス長に比べて十分に長くなっている。カメラ４７は、パルス光の横方向プロファイルを測定する。そして、カメラ４７は、横方向のパルス形状に応じた測定結果に基づく信号を制御装置４８に出力する。このように、カメラ４７は、可変形ミラー４０によってパルス形状を調整するために、光ビームに応じた測定を行う測定器となる。従って、光ビームが変化すると、カメラ４７から出力される信号が変化する。
【００４４】
また、ビームスプリッタ４６に入射したパルス光の一部は、ビームスプリッタ４６を通過する。そして、ビームスプリッタ４６を通過したパルス光は、フォトカソード５１に入射する。フォトカソード５１は、透過型のフォトカソードである。なお、フォトカソード５１は、透過型に限定されるものではなく、反射型のフォトカソードであってもよい。フォトカソード５１は入射したパルス光に応じて電子を発生する。すなわち、光電効果によって、フォトカソード５１から電子を発生される。フォトカソード５１から発生した電子は、共振器５２に入射する。共振器５２には、マイクロ波源５３で発生したマイクロ波が入射されている。共振器５２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５２には、フォトカソード５１で発生した電子を加速するための電場が発生している。共振器５２内の加速電場は時間に応じて変化している。フォトカソード５１で発生した電子は、共振器５２内の電場で加速される。すなわち、所定のエネルギーの電子ビームとなって共振器５２から出射する。ここでは、共振器５２で発生する定在波に応じて、パルス光のタイミングを調整する。すなわち、マイクロ波源５３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５２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５１から電子が発生する。従って、電子ビームが効率よく加速される。
【００４５】
このようにして電子ビームのバンチが出射する。電子ビームは、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。さらに、電子ビームはビームモニタ５５に入射する。ビームモニタ５５は、電子ビームをモニタする。ビームモニタ５５によって、バンチに関する情報を測定することができる。具体的には、電子ビームのプロファイル、エミッタンス、あるいはエネルギーなどを測定する。ビームモニタ５５でのモニタ結果に応じた信号は、制御装置４８に入力される。
【００４６】
発生した電子ビームのプロファイルは、フォトカソード５１に入射するパルス光の形状を反映している。すなわち。パルス光の形状に応じたプロファイルの電子ビームが発生する。具体的には、バンチの横方向の形状は、光軸と垂直な面におけるパルス形状を反映する。バンチの縦方向の形状は、光軸と平行な面におけるパルス形状を反映する。すなわち、電子ビームは、レーザ光のパルス幅に応じたバンチ長になる。このように、電子ビームのプロファイルは、レーザ光のプロファイルに応じて変化する。従って、ビームモニタ５５は、可変形ミラー４０によりパルス形状を調整するために、光ビームに応じた測定を行う測定器となる。換言すると、光ビームのパルス形状が変化すると、ビームモニタ５５から出力される信号も変化する。
【００４７】
制御装置４８は、ＣＰＵやメモリ等の記憶領域を備えるコンピュータである。例えば、制御装置４８は、演算処理部であるＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶領域であるＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、通信用のインターフェースなどを有し、表明形状を測定するために必要な処理を実行する。例えば、ＲＯＭには、演算処理するための演算処理プログラムや、各種の設定データ等が記憶されている。そして、ＣＰＵは、このＲＯＭに記憶されている演算処理プログラムを読み出し、ＲＡＭに展開する。そして、設定データや、ビームモニタ５５やカメラ４７からの出力に応じてプログラムを実行する。さらに、制御装置４８は、演算処理結果を表示させるためのモニター等を有している。制御装置４８は、例えば、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置であり、測定結果やモニタ結果に対して所定の演算処理を行なう。さらに、制御装置４８は、レーザ光のプロファイルを調整するための制御を行う。なお、制御装置４８は物理的に単位な構成に限られるものではない。
【００４８】
制御装置４８は、例えば、電子ビームの測定結果、及びパルス形状の測定結果に基づいて可変形ミラー４０を制御する。制御装置４８は、可変形ミラー４０に制御信号を出力して、反射面の形状を変化させる。これにより、レーザ光のパルス形状が調整される。従って、電子ビームを利用に最適なバンチ形状とすることができる。例えば、低エミッタンスの電子ビームを得ることができる。
さらに、測定結果に基づいてフィードバック制御を行うことで、リアルタイムでのバンチ形状の調整が可能になる。このように、制御装置４８は、可変形ミラー４０を制御して、パルス光の形状を調整する。これにより、フォトカソード５１に入射するパルス光のプロファイルが変化する。そして、電子ビームのモニタ結果、及びパルス形状の測定結果によって、パルス形状を最適化する。これにより、電子ビームの高品質化を図ることができる。さらに、利用目的に適合したバンチ形状の電子ビームを生成することができる。
【００４９】
ビームスプリッタ４６からフォトカソード５１までの距離は、ビームスプリッタ４６からカメラ４７までの距離と等しくなっている。従って、フォトカソード５１上でのパルス形状とカメラ４７上でのパルス形状は、略等しくなっている。よって、カメラ４７での検出結果に基づいて制御した場合でも、電子ビームのバンチを正確に整形することが可能になる。
【００５０】
次に、光源部１０の構成について、図２を用いて説明する。図２は、光源部１０の構成例を示す図である。光源部１０には、レーザ発振器１１、パルスストレッチャー１２、光変調器１３、再生増幅器１４、マルチパス増幅器１５、パルスコンプレッサー１６、及び波長変換器１７を有している。
【００５１】
レーザ発振器１１は、例えば、モードロックチタンサファイアレーザ発振器であり、パルスレーザ光を出射する。レーザ発振器１１は、結晶媒質にチタンサファイアを用いている。その結晶母材であるサファイアは、ダイヤモンドに次いで熱伝導がよい透明材料であり、窒素温度に冷却すると動と同等の熱伝導になる優れた材料である。従って、熱のこもりが少ない。この母材となるサファイアにＴｉ３＋をドープしたチタンサファイア結晶は、蛍光スペクトルバンド幅が４００ｎｍ（７００−１１００ｎｍ）と広く、超短（フーリエ変換限界）パルス生成に適している。そもそも、フェムト秒の超短パルスとは、１０ｎｍを越す広帯域レーザパルスのスペクトル成分間の相対位相を揃える、フーリエ変換限界のレーザパルスであるからである。この広いスペクトルの各波長の光路長の違いを、後述するパルスストレッチャー１２やパルスコンプレッサー１６の回折格子ペアで制御することで、パルスを伸ばしたり、縮めたりすることができる。レーザ発振器１１は、繰り返し周波数８９．２５ＭＨｚで、中心波長７９０ｎｍ、パルス幅（半値幅）２０ｆｓｅｃのパルスレーザ光を発振する。なお、レーザ発振器１１の繰り返し周波数は、電子加速器での電子加速に広く用いられているＳバンドの３２分周となっている。
【００５２】
レーザ発振器１１で発生したパルスレーザ光は、パルスストレッチャー１２に入射する。パルスストレッチャー１２は、パルス幅を延ばすための回折格子ペアを有している。パルスストレッチャー１２は、例えば、パルス幅（半値幅）を１５０ｐｓｅｃに広げる。パルスストレッチャー１２でパルス幅が広げられたパルスレーザ光は、光変調器１３に入射する。
【００５３】
光変調器１３としては、例えば、音響光学（ＡＯ：Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃｓ）素子や液晶素子を用いることができる。より具体的には、光変調器１３として、音響光学空間位相制御フィルター（ＡＯＰＤＦ：Ａｃｏｕｔｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃｓ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）や液晶空間光変調器（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いることができる。光変調器１３は、スペクトル位相を変調する。光変調器１３としては、例えば、ファーストライト（ＦＡＳＴＬＩＴＥ）社製ＤＡＺＺＬＥＲ（登録商標）を用いることができる。これにより、広帯域スペクトルを有するパルスレーザ光を変調することができる。上述の電子ビームのモニタ結果、及びパルス形状の測定結果に基づいて、光変調器１３を制御する。これにより、パルス波形を整形することができる。すなわち、電子ビームの高品質化に好適なパルス波形を得ることができる。
【００５４】
さらに、光変調器１３によって、パルスレーザ光をチャープさせるようにしてもよい。すなわち、光変調器１３によって、パルスを整形するだけでなく、チャープしてもよい。時間に応じて波長が変化するように、パルスレーザ光のスペクトル位相、又は強度を変調する。パルスレーザ光を正チャープさせることにより、パルスの先頭から後方側に向かうにつれて、波長が徐々に短くなる。パルス先端の波長が最長波長となり、パルス後端の波長が最短波長となる。レーザパルス内の波長は、後方側に向かうにつれて、単調減少していく。さらに、波長と時間の関係がリニアになるように高次の分散を補償して、２次分散の増減をコントロールする。例えば、光変調器１３自体が持つ２次分散を光変調器１３の設定値で２次分散で打ち消すことできるし、また、その打ち消したところでフーリエ限界になるようにしていれば、正チャープにも負チャープにもすることができる。よって、時間とともに波長がリニアに減少する。このように、光変調器１３から出射したレーザパルス光では、時間とともに波長が線形（リニア）に変化するようにする。すなわち、パルスレーザ光の波長は時間に応じて、波長が線形（リニア）に変化する。光変調器１３に入力する変調信号（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）に応じて、パルスレーザ光のスペクトルが変調される。そして、チャープした音波によって、結晶を通過するパルスレーザ光に、波長に応じた光路差を自由に与えることができる。音波のスペクトルと同じ形状にパルスレーザ光のスペクトルが整形される。あるいは、音波のパルス形状と同じ形状にパルスレーザ光のスペクトルを整形してもよい。また、光変調器１３以外の光学素子によってチャープさせることも可能である。例えば、波長に応じて屈折率が異なる透明な正分散媒質を用いることで、パルス光を正チャープさせることができる。
【００５５】
光変調器１３で変調されたパルスレーザ光は、再生増幅器１４、及びマルチパス増幅器１５で増幅される。すなわち、パルスレーザ光は、前段の再生増幅器１４に入射する。再生増幅器１４は、パルスレーザ光を増幅して、後段のマルチパス増幅器１５に出射する。そして、マルチパス増幅器１５で増幅されたパルスレーザ光は、パルスコンプレッサー１６に入射する。再生増幅器１４、及びマルチパス増幅器１５はフラッシュランプ励起ＹＡＧレーザ光を分岐して励起光源としている。すなわち、再生増幅器１４、及びマルチパス増幅器１５は、励起光源を共通化している。
【００５６】
再生増幅器１４内では、共振器内のポッケルスセルにより１０Ｈｚでパルス列を切り出して選択増幅する。ここでは、例えば、２ｍＪまでパルスレーザ光が増幅される。このレーザパルスを次のマルチパス増幅器１５で同じ結晶を４回往復させる。マルチパス増幅器１５は、例えば、３０ｍＪ／ｐｕｌｓｅまで増幅する。なお、再生増幅器１４、及びマルチパス増幅器１５では、中心波長、及びパルス幅（半値幅）は、７９０ｎｍ、１５０ｐｓｅｃのままになっている。このように、種光を作るレーザ発振器１１と、その後に種光を外部増幅器からなるＭＯＰＡ（Ｍａｓｅｔｅｒ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）方式を採用している。そして、外部増幅器が再生増幅器１４、及びマルチパス増幅器１５の２段構成になっている。
【００５７】
マルチパス増幅器１５からのパルスレーザ光は、パルスコンプレッサー１６に入射する。パルスコンプレッサー１６は、パルス長を短くするための回折格子ペアを有している。ここでは、例えば、パルス長（半値幅）が１５０ｐｓｅｃから１ｐｓｅｃに縮められる。さらに、レーザのもつスペクトル帯域で最短のパルス、すなわちフーリエ限界パルスにすることができる。このように、パルスストレッチャー１２とパルスコンプレッサー１６の間に、再生増幅器１４、及びマルチパス増幅器を配置している。これにより、ピークパワーを押さえながら増幅するチャープパルス増幅（Ｃｈｉｒｐｅｄ  Ｐｕｌｓｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を実行するこができる。パルスコンプレッサー１６からは、例えば、中心波長７９０ｎｍ、スペクトル・バンド幅（半値幅）２０ｎｍのパルスレーザ光が出射する。
【００５８】
パルスコンプレッサー１６からのパルスレーザ光は、波長変換器１７に入射する。ここで、波長変換器１７は、パルスコンプレッサー１６から出射した中心波長７９０ｎｍのパルスレーザ光の３倍高調波（中心波長２６３ｎｍ）を発生させる。具体的には、波長変換器１７は、２つの非線形光学結晶を有している。ここで、非線形光学結晶としては、ＢＢＯ結晶を用いることができる。まず、１つ目の結晶にパルスコンプレッサー１６からの基本波（中心波長７９０ｎｍ）を入射させて、２倍高調波（中心波長３９５ｎｍ）を発生させる。そして、２つ目の結晶に、２倍高調波と基本波を入射させて、３倍高調波を発生させる。
【００５９】
固体レーザの短波長発生の基礎となるのは、入射する２つのコヒーレント光（波長λ１、λ２）に対して、２次の非線形光学効果を利用したＢＢＯ結晶内での相互作用の結果である、エネルギー保存則に従う波長λ３の発生、すなわち和周波混合（ＳＦＭ：Ｓｕｍ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｍｉｘｉｎｇ）である。２倍高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）はＳＦＭの２つの入射光の波長λ１とλ２とが等しい場合に対応する。第３高調波発生（ＴＨＧ：Ｔｈｉｒｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）は、通常ＳＨＧで発生した２倍高調波（λ２）と残存する基本波（λ１）とのＳＦＭにより実現される。基本波から３倍高調波の変換効率は約１０％であり、２倍高調波への変換効率は約５０％である。もちろん、ＢＢＯ結晶以外の非線形光学素子によって３倍高調波を発生させてもよい。
【００６０】
このように、光源部１０では、パルス幅の伸長、増幅、圧縮、紫外光への波長変換を受ける。なお、波長変換器の後に、石英ロッドを通過させて、紫外パルスを正チャープして、パルス幅を延ばしてもよい。例えば、長さ４５ｃｍの溶解石英ロッドを２つ用いることで、パルス幅が８０ｆｓｅｃから１０ｐｓｅｃに伸ばすことができる。（Ｈ．  Ｔｏｍｉｚａｗａ，  Ｔ．  Ａｓａｋａ，  Ｈ．  Ｄｅｗａ，  Ｈ．  Ｈａｎａｋｉ，  Ｔ．  Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，  Ａ．  Ｍｉｚｕｎｏ，  Ｓ．  Ｓｕｚｕｋｉ，  Ｔ．  Ｔａｎｉｕｃｈｉ，  ａｎｄ  Ｋ．  Ｙａｎａｇｉｄａ，  ＜Ｓｔａｔｕｓ  ｏｆ  ＳＰｒｉｎｇ−８  ｐｈｏｔｏｃａｔｈｏｄｅ  ＲＦ  Ｇｕｎ  ｆｏｒ  Ｆｕｔｕｒｅ  ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅｓｃ，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２７ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｆｒｅｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｌａｓｅｒ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  Ｓｔａｎｆｏｒｄ，  ＣＡ，  ２１−２６  Ａｕｇｕｓｔ ２００５，  （２００５）  ｐｐ．  １３８−１４１．参照）なお、光源部１０は、直線偏光を出射している。光源部１０から出射したパルスレーザ光は、図１に示したようにパルススタッカー２０に入射する。
但し、非線形効果が効くような増幅後の超短パルスレーザのＴＨＧでは、石英中のフィラメンテーションというトランスバース方向の屈折率分布ができる。このため、プロファイルが劣化してしまうという問題が生じるおそれがある。このような場合、石英ロッドを使用しなくてもよい。
【００６１】
次にパルススタッカー２０に構成について図３、及び図４を用いて説明する。図３は、パルススタッカー２０の光学系の構成を示す図である。図４は、パルススタッカー２０によってスタックされたパルス波形を示すタイミングチャートである。なお、図４では、光源部１０からパルス幅２．５ｐｓｅｃのパルス光が入射しているものとして示している。また、図４では、横軸が時間を示し、縦軸が光強度を示している。図４では、パルススタッカー２０における６つのパルス波形が上から順番に示されている。そして、６つのパルス波形をそれぞれＡ〜Ｆとして示している。
【００６２】
パルススタッカー２０は、入射側λ／４板（１／４波長板）２１、入射側λ／２板（１／２波長板）２２、入射側偏光ビームスプリッタ（以下、偏光ビームスプリッタをＰＢＳとする）２３、スタックユニット３１、スタックユニット３２、スタックユニット３３、ミラー３４、出射側λ／２板３５を有している。すなわち、３段のスタックユニット３１〜３３が直列配置されている。ここで、スタックユニット３１、スタックユニット３２、及びスタックユニット３３は同じ構成を有している。スタックユニット３１、スタックユニット３２、及びスタックユニット３３のそれぞれは、スタック用λ／２板２４、固定ミラー対２５、可動ミラー対２６、アクチュエータ２７、分岐用ＰＢＳ２８、合成用ＰＢＳ２９、及び遮光部材３７を有している。そして、パルススタッカー２０は、入射側λ／２板２２と入射側ＰＢＳ２３とでパワーを調整する。
【００６３】
入射側ＰＢＳ２３、分岐用ＰＢＳ２８、及び合成用ＰＢＳ２９は、例えば、偏光ビームスプリッタキューブであり、偏光状態に応じて光を分岐する。例えば、入射側ＰＢＳ２３、分岐用ＰＢＳ２８、及び合成用ＰＢＳ２９は、Ｐ偏光を通過させ、Ｓ偏光を反射する。入射側λ／４板２１、入射側λ／２板２２、スタック用λ／２板２４は、０次水晶波長板であり、常光成分と異常光成分との間に所定の位相差を与える。なお、偏光ビームスプリッタキューブには、オプティカル・コンタクト方式のものを用いることが好ましい。これにより、高強度のパルス光に対しても適用することが可能になる。レーザ強度が強い場合、エアーギャップ方式が好ましい。また、オプティカルコンタクトの波長板があるが、それには接着材を使わない接着材フリーのものを使用するとエミッションが少ない。また、接着材を用いる場合、航空宇宙使用の接着材が好ましい。
【００６４】
図３に示すパルススタッカー２０には、光源部１０からのパルス光が入射している。入射側λ／４板２１は、楕円化しているパルス光を直線偏光にする。例えば、入射側λ／４板２１は、回転可能に設けられている。そして、入射したパルス光の偏光状態に応じて回転角度を調整する。これにより、パルス光が略完全な直線になる。もちろん、光源部１０から出射したパルス光が直線偏光である場合、入射側λ／４は不要である。λ／４板２１を通過したパルス光は、λ／２板２２に入射する。
【００６５】
入射側λ／２板２２は、入射した直線偏光の偏光軸を回転させる。入射側λ／２板２２を通過したパルス光は、入射側ＰＢＳ２３に入射する。入射側ＰＢＳ２３は、入射光の偏光状態に応じて、入射光を通過させる。入射側ＰＢＳ２３を通過したパルス光は、スタックユニット３１に入射する。例えば、入射側ＰＢＳ２３は、Ｐ偏光を通過させ、Ｓ偏光を反射する。さらに、入射側λ／２板２２は入射側ＰＢＳ２３の前に回転可能に設けられている。すなわち、入射側λ／２板２２の光学軸が、光軸と垂直な面において回転する。入射側λ／２板２２の回転角度を調整することにより、偏光面が回転する。これにより、スタックユニット３１に入射するパルス光のパワーを調整することができる。すなわち、入射側λ／２板２２の回転角度によって、直線偏光の偏光方向が変化するため、Ｐ偏光成分を増減させることができる。
【００６６】
入射側ＰＢＳ２３を通過したパルス光は、１段目のスタックユニット３１に入射する。スタックユニット３１は、入射した主パルス光を分岐して２つの光ビームに分岐する。これにより、２つのミクロパルスが生成される。分岐された２本の光ビームは、異なる光路に沿って伝播する。スタックユニット３１は、分岐された２つの光ビームのパルス光に対して光路長差を与えた後、その２つの光ビームを合成する。合成された２つの光ビームは共通の光路に沿って伝播する。これにより、スタックユニット３１からはタイミングのずれた２つのミクロパルスが出射する。以下に、上記の機能を有するスタックユニット３１の構成を詳細に説明する。
【００６７】
スタックユニット３１に入射したパルス光は、スタック用λ／２板２４に入射する。スタック用λ／２板２４は、直線偏光の偏光面を４５°回転させる。ここでは、図４のＡに示すように＋４５°の直線偏光になる。これにより、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分が略同じになる。スタック用λ／２板２４から出射されたパルス光は、分岐用ＰＢＳ２８に入射する。
【００６８】
分岐用ＰＢＳ２８は、入射したパルス光を偏光状態に応じて分岐する。ここでは、Ｐ偏光成分が分岐用ＰＢＳ２８を通過して、Ｓ偏光成分が前段側ＰＢＳで反射される。なお、スタック用λ／２板２４によって、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分が略同じになっているため、パルス光は２等分される。このように、分岐用ＰＢＳ２８はパルス光を分岐して、２つのミクロパルスを生成する。ここで、分岐用ＰＢＳ２８を通過したＰ偏光成分のミクロパルスをＰ偏光ミクロパルスとし、分岐用ＰＢＳ２８で反射したＳ偏光成分のミクロパルスをＳ偏光ミクロパルスとする。Ｓ偏光ミクロパルスとＰ偏光ミクロパルスは、異なる光路に沿って伝播する。
【００６９】
分岐用ＰＢＳ２８で反射したＳ偏光ミクロパルスは固定ミラー対２５に入射する。固定ミラー対２５は、例えば、ステージなどに固定されている。固定ミラー対２５は、２枚のミラー３０を有している。ミラー３０は、例えば、平面鏡であり、入射した光のほとんどを反射する。そして、Ｓ偏光ミクロパルスは、２枚のミラー３０で反射されて合成用ＰＢＳ２９に入射する。
【００７０】
一方、分岐用ＰＢＳ２８を通過したＰ偏光ミクロパルスは、可動ミラー対２６に入射する。可動ミラー対２６は、固定ミラー対２５と同様に、２枚のミラー３０を有している。そして、Ｐ偏光ミクロパルスは、２枚のミラー３０で反射されて合成用ＰＢＳ２９に入射する。さらに、可動ミラー対２６はステージなどに対して移動可能に設けられている。すなわち、可動ミラー対２６は、アクチュエータ２７に取り付けられている。そして、アクチュエータ２７を駆動することによって、可動ミラー対２６が図３中の点線矢印方向に移動する。アクチュエータ２７は制御装置４８によって制御される。
【００７１】
これにより、可動ミラー対２６から合成用ＰＢＳ２９までの距離が変化するとともに、可動ミラー対２６から分岐用ＰＢＳ２８までの距離が変化する。従って、分岐用ＰＢＳ２８から合成用ＰＢＳ２９までの間において、Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスとで光路長が変化する。Ｓ偏光ミクロパルスに対してＰ偏光ミクロパルスが遅延する。ここで、パルスススタッカー２０において、２．５ｐｓｅｃのミクロパルスが２．５ｐｓｅｃであり、２０ｐｓｅｃのマクロパルスを作るとすると、１段目で１０ｐｓｅｃ、２段目で５ｐｓｅｃ、３段目で２，５ｐｓｅｃの遅延を与える。Ｐ偏光ミクロパルスがＳ偏光ミクロパルスから１０ｐｓｅｃ遅れている。なお、Ｐ偏光ミクロパルスを遅れても進めてもよいが、全ての段で同じ方向にする。すなわち、アクチュエータ２７によって分岐用ＰＢＳ２８から合成用ＰＢＳ２９までの距離を調整して、時間遅延量を１０ｐｓｅｃにする。これにより、Ｓ偏光ミクロパルスとＰ偏光ミクロパルスとの間に、所望の時間遅延量を与えることができる。このように、可動ミラー対２６、及び固定ミラー対２５が２本の光ビーム間に時間遅延を与える遅延手段になる。
【００７２】
光路長差が与えられたＰ偏光ミクロパルス、及びＳ偏光ミクロパルスは、合成用ＰＢＳ２９で合成される。すなわち、合成用ＰＢＳ２９は、Ｐ偏光ミクロパルスを通過して、Ｓ偏光ミクロパルスを反射する。これにより、Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスが合成される。すなわち、Ｐ偏光ミクロパルスの光軸とＳ偏光ミクロパルスの光軸とが合流して、一致する。このとき、Ｐ偏光ミクロパルス、及びＳ偏光ミクロパルスには、図４のＢに示すように、時間遅延が与えられている。
【００７３】
そして、１段目のスタックユニット３１から出射したパルス光は、２段目のスタックユニット３２に入射する。２段目のスタックユニット３２は１段目のスタックユニット３１と同様の構成を有している。ここで、２段目のスタックユニット３２には、Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスとが入射する。このため、図４のＣに示すように、スタック用λ／２板２４によって、Ｓ偏光ミクロパルスでは偏光軸が＋４５°となり、Ｐ偏光ミクロパルスでは偏光軸が−４５°になる。
【００７４】
そして、２つのミクロパルスを含むパルス光は、分岐用ＰＢＳ２８で分岐され、合成用ＰＢＳ２９で合成する。このとき、スタック用λ／２板２４によって偏光軸が回転している。よって、それぞれのミクロパルスがさらに２つのミクロパルスに分岐される。すなわち、４つのミクロパルスが生成される。さらに、固定ミラー対２５、及び可動ミラー対２６によって、光路長差が与えられている。ここでは、例えば、５ｐｓｅｃの時間遅延が与えられるように、アクチュエータ２７が調整されている。すなわち、Ｐ偏光ミクロパルスがＳ偏光ミクロパルスに対して、５ｐｓｅｃ遅れるようにする。このため、合成用ＰＢＳ２９で合成されたパルス光には、図４のＤに示すように、４つのミクロパルスが含まれる。先頭側の２つのミクロパルスは、スタック用λ／２板２４直後において偏光軸が＋４５°のミクロパルスから生成されている。また、後端側の２つのミクロパルスは、スタック用λ／２板２４直後において偏光軸が−４５°のミクロパルスから生成されている。
【００７５】
２段目のスタックユニット３２では、１段目のスタックユニット３１での遅延時間よりも短い遅延時間が与えられている。このため、合成された光ビームでは、Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスが交互に並んでいる。また、２段目のスタックユニット３２では、１段目のスタックユニット３１のほぼ半分の遅延時間が与えられている。このため、隣接するミクロパルス間の時間間隔が等しくなっている。すなわち、４つのミクロパルスが５ｐｓｅｃ間隔で並んでいる。
【００７６】
２段目のスタックユニット３２から出射した４つのミクロパルスを有するパルス光は、３段目のスタックユニット３３に入射する。このため、図４のＥに示すように、スタック用λ／２板２４によって、Ｓ偏光ミクロパルスでは偏光軸が＋４５°となり、Ｐ偏光ミクロパルスでは偏光軸が−４５°になる。ここでは、偏光軸が＋４５°のミクロパルスと偏光軸が−４５°のミクロパルスとが交互に配列される。
【００７７】
そして、２段目のスタックユニット３２と同様に、ミクロパルスの数を２倍にする。これにより、８つのミクロパルスが生成される。ここでは、アクチュエータ２７による遅延時間が２．５ｐｓｅｃに設定されている。これにより、図（ｆ）に示すようにミクロパルスが配列される。
【００７８】
３段目のスタックユニット３３では、２段目のスタックユニット３２での遅延時間よりも短い遅延時間が与えられている。このため、合成された光ビームでは、Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスが交互に並んでいる。また、３段目のスタックユニット３３では、１段目のスタックユニット３２のほぼ半分の遅延時間が与えられている。このため、隣接するミクロパルス間の時間間隔は等しくなっている。すなわち、８つのミクロパルスが２．５ｐｓｅｃ間隔で並んでいる。
【００７９】
このように、３つのスタックユニット３１〜３３を直列に配置して、８つのミクロパルスを重ね合わせている。これにより、マクロパルスのパルス長は２０ｐｓｅｃ程度になる。各スタックユニット３１〜３３に設けられているアクチュエータ２７を制御することで、縦方向のパルス形状を調整することができる。また、アクチュエータ２７を制御することでパルス長を調整することも可能になる。もちろん、各ミクロパルスは、等間隔でなくてもよい。重ね合わされたマクロパルスは、電子ビームの高品質化に好適な形状に調整される。
【００８０】
３段目のスタックユニット３３から出射したマクロパルスは、ミラー３４を介して、出射側λ／２板３５に入射する。そして、出射側λ／２板３５からのマクロパルスがパルススタッカー２０から出射する。出射側λ／２板３５を回転させることで、通過するミクロパルスのパワーを調整する。ここでは、フォトカソード５１に入射する光のパワーが最大になるように出射側λ／２板３５の回転角度を調整する。
【００８１】
なお、スタックユニット３１〜３３において、時間遅延を与える光学素子は、可動ミラー対２６に限られるものではない。例えば、屈折率の異なる透明部材を光路中に配置してもよい。これにより、Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスとの間で、光学的な距離が変化するため、時間遅延を与えることができる。もちろん、これら以外のものを遅延手段として用いてもよい。
【００８２】
スタック用λ／２板２４を回転可能に設けても良い。これにより、分岐用ＰＢＳ２８で分岐されるＰ偏光成分、及びＳ偏光成分の割合を変化させることができる。よって、８つのミクロパルスの強度を調整することができる。フォトカソード５１に入射するパルス光の縦方向の形状を調整することができる。
【００８３】
もちろん、ミクロパルスの数は８に限られるものではない。スタックユニットの段数を増やすことによって、２３以上のミクロパルスをスタックすることができる。すなわち、２ｎ個のミクロパルス（ｎ＝段数）をスタックすることができる。もちろん、スタックユニットの段数を減らして、ミクロパルスの数を８未満にしてもよい。
【００８４】
さらに、各スタックユニット３１〜３３には、遮光部材３７が設けられている。例えば、スタックユニット３１には１つの遮光部材３７が設けられている。遮光部材３７は、分岐用ＰＢＳ２８で分岐された光ビームが合成用ＰＢＳ２９に入射するのを選択的に遮るシャッターである。なお、それぞれの光路に対して別の遮光部材３７を設けても良い。遮光部材３７は分岐用ＰＢＳ２８で分岐された２つの光路中に移動可能に設けられている。すなわち、遮光部材３７は光路中に挿脱可能に設けられている。そして、電子ビームの精密調整時には、一方の遮光部材３７を光路中に挿入する。スタックユニット３１〜３３のそれぞれにおいて、遮光部材３７は、Ｐ偏光ミクロパルス、又はＳ偏光ミクロパルスを遮光する。すなわち、分岐用ＰＢＳ２８で分岐された２本の光ビームのうち、一方の光路中に遮光部材３７を配置する。これにより、各段のスタックユニット３１〜３３において、一方のミクロパルスのみが遮光される。
【００８５】
この場合、図４のＦに示されている８つのミクロパルスのうち、１つのミクロパルスのみが３段目のスタックユニット３３から出射する。すなわち、３つの遮光部材３７で遮光した場合、１つのミクロパルスのみが、フォトカソード５１、及びカメラ４７に入射する。これにより、各ミクロパルスの形状測定が可能になる。例えば、各ミクロパルスの横方向の形状をカメラ４７で測定する。全ミクロパルスの個別の測定結果に基づいて、可変形ミラー４０を設定する。具体的には、一方のミクロパルスを遮光して、他方のミクロパルスを測定する。さらに、他方のミクロパルスを遮光して、一方のミクロパルスを測定する。そして、３段のスタックユニット３１〜３３のそれぞれに対して、遮光部材３７の移動を順次行う。具体的には、２３通りの遮光部材３７の配置で、測定を行う。これにより、各ミクロパルスの形状を測定することができる。そして、全ての測定結果に基づいて調整を行う。
【００８６】
各ミクロパルスの横方向の形状を略同じ形状に調整することができる。これにより、マクロパルスの横方向の形状を最適化することができる。すなわち、時間に応じた横方向形状の変化が低減され、円筒形のパルス光を生成することができる。簡便な構成でマクロパルスをトップフラット形状に整形することができる。各段のスタックユニット３３で一方のミクロパルスを遮光することにより、パルス形状の微調整を行うことができる。
【００８７】
もちろん、ビームモニタ５５での測定結果に応じて、マクロパルスの横方向の形状を調整してもよい。遮光部材３７によって遮光した状態で、フォトカソード５１にパルス光を照射すればよい。そして、ビームモニタでの測定結果に基づいて、パルス形状を調整する。これにより、さらなる微調整が可能になる。さらには、一部のミクロパルスを同時にスタックユニット３３から出射させて、調整してもよい。例えば、２つ、又は４つのミクロパルスを同時にスタックユニット３３から出射させて、調整してもよい。
【００８８】
このように、縦方向、及び横方向のパルス形状を精密に整形することができる。すなわち、パルス光の３次元形状の整形を容易に行うことができる。ミクロパルス毎に測定できるため、より精密な整形が可能になる。そして、最適な設定で８つのミクロパルスを含むマクロパルスをフォトカソード５１に照射する。所望の形状のパルス光をフォトカソードに照射することができる。これにより、フォトカソード５１からの電子ビームの高品質化を図ることができる。すなわち、所望のバンチ形状の電子ビームを得ることができる。高輝度で低エミッタンスの電子ビームの生成が可能になる。さらには、利用に最適な形状のバンチを生成することができる。簡便な構成で、縦方向プロファイル、及び横方向プロファイルを最適化することができる。また、「Ｗｅｆｅｒｓ  ＡＮＤ  Ｎｅｌｓｏｎ，  ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，  Ｖｏｌ．  ３２，  ｐｐ．１６１（１９９６）」に示されているように、回折の影響で時間波形が空間波形に反映されてしまうが、可変形ミラー４０とパルススタッカー２０の組み合わせでは、互いに与える影響を低減することができる。よって、３次元的な形状を正確に整形することができる。
【００８９】
各ミクロパルスの微調整が行われた後は、上記のように、電子ビームやパルス形状の測定結果に基づいてフィードバック制御する。例えば、加速管で加速された後のバンチ形状をビームモニタ５５でモニタしながら、リアルタイムで調整することできる。よって、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。さらに、利用目的に適合したバンチ形状をすることができ、例えば、エミッタンスを低減することができる。
【００９０】
マイクロ波を用いて加速しているため、電子ビームのエネルギー分布がバンチの縦方向分布に対応する。すなわち、マイクロ波での位相がずれると、電子ビームの加速エネルギーが変化する。例えば、パルス幅が広い場合、電子のエネルギー分散が広くなる。電子ビームのエネルギー分布の測定結果に応じて、パルス光の縦方向分布を調整することも可能である。電子ビームのエネルギー分布を測定する場合、ベンディングマグネット等によって電子ビームを曲げる。ベンディングマグネットは、電子の入射方向と垂直な方向に、一定の磁場を発生している。これにより、バンチ内電子をエネルギーに応じて空間的に分散させることができる。そして、曲げられた後のバンチ内電子の空間分布を測定する。これにより、縦方向（時間方向）のパルス形状を測定することができる。空間分布の測定結果に基づいて、パルス光の進行方向におけるパルス形状を調整する。このように、ＤＡＺＺＬＥＲなどの光変調器１３で２次分散をコントロールして、バンチ内電子のエネルギー分散に基づいて縦方向のパルス形状を調整することができる。
【００９１】
縦方向のパルス形状は、光変調器１３によって調整することもできる。バンチのエネルギー分布に応じて光変調器１３を制御する。これにより、縦方向のパルス形状、及びバンチ形状を最適化することができる。さらに、フォトカソード５１までの光路における光のロスを補償するように、光変調器１３を用いてパルス形状を調整することができる。このように調整を行う場合でも、ビームモニタ５５やカメラ４７の測定結果に基づいて調整することで、所望のバンチ形状、及びパルス形状を容易に得ることができる。さらに、縦方向のパルス形状は、パルスコンプレッサー１６によっても調整することできる。すなわちパルスコンプレッサー１６でのコンプレッサー長を変えることで、縦方向のパルス形状を最適化することができる。また、上記のように、光変調器１３の設定値を変えることで、２次分散を打ち消すことができる。例えば、光変調器１３自身に１３０６６ｆｓ２の２次分散がある場合、予め光変調器１３の２次分散の設定値を−１３０６６ｆｓ２にして、２次分散を打ち消す。そして、この状態でコンプレッサー長を変えることで、フーリエ限界パルスにすることができる。さらに、光変調器１３の設定値を変えることで、高次の分散まで補償されるため、理想的なフーリエ限界パルスに近づけることができる。光変調器１３として、ＤＡＺＺＬＥＲ（登録商標）を用いて、スペクトルの中央部分に凹みを設けることで、スペクトルの帯域を増幅後で広く保つことができる。これにより、さらなる超短パルス化が可能になる。光変調器１３の設定値を変えることで、縦方向のパルス形状を調整することができる。
【００９２】
なお、パルススタッカー２０に入射されるパルス光は、特に限定されるものではない。すなわち、任意のパルス幅を持つパルス光であればよい。さらにパルススタッカー２０から出射されるパルス光は、電子の発生以外の用途に利用可能である。例えば、パルス光をレーザ加工に用いることができる。この場合、加工対象にパルススタッカー２０からのパルス光を照射する。レーザ加工に用いることにより、より微細で精密な加工を行うことができる。また、ストリークカメラや高速カメラの校正に、パルス光を利用することができる。このように、パルススタッカー２０において、各ミクロパルスを遮光することによって、簡便にパルス形状を整形することが可能になる。
時間遅延量が小さくなると、縦方向において隣接するミクロパルスが重複する。すなわち、ミクロパルスの一部が隣のミクロパルスと重畳する。このような場合であって、パルス光をチャープすることによって、ミクロパルス間の干渉を防ぐことができる。すなわち、隣接するミクロパルスと重複する部分は波長が異なっているため、干渉しない。さらに、Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスを交互に配置することで、ミクロパルス間の干渉を防ぐことができる。このように、光干渉を低減するように、Ｓ偏光ミクロパルスとＰ偏光ミクロパルスとを交互に配置する。
【００９３】
また、加速された電子ビームを自由電子レーザ（ＦＥＬ）の発振に用いる場合、発振した自由電子レーザをモニタしながらバンチ形状をモニタすることもできる。例えば、発振したＦＥＬの発振強度が最大になるようにパルス形状をリアルタイムで調整する。さらに、パルス光をレーザ加工に用いる場合、加工物の形状に応じてパルスを整形してもよい。このように、用途に応じて電子バンチの形状を最適化することができる。
【００９４】
なお、バンチが所望の形状になっているかを評価するための評価関数を用いてもよい、この場合、複数のパラーメータを用いて調整することによって、簡便にパルス光をフラットトップ化することができる。可変形ミラー４０の調整には、遺伝的アルゴリズムを用いることが好ましい。これにより、簡便に調整することができる。あるいは、パルス光をガウシアン化することもできる。また、パルス形状の調整は制御装置４８を用いて自動で行ってもよく、作業者が手動で行ってもよい。さらには、可変形ミラー４０の調整を半自動で行ってもよい。また、過去のパラメータセーブしておくことで、迅速に所望のプロファイルに整形できる。
【００９５】
なお、パルススタッカー２０において、入射側λ／２板２２、スタック用λ／２板２４、及び出射側λ／２板３５を回転可能に設けている。なお、入射側λ／２板２２、スタック用λ／２板２４、及び出射側λ／２板３５の回転軸は、光軸と平行である。そして、入射側λ／２板２２、スタック用λ／２板２４、及び出射側λ／２板３５の回転角度を調整することでパルス光の光強度を調整することができる。さらに、３つのスタック用λ／２板２４の回転角度を独立して調整することで、各ミクロパルスの光強度を調整することができる。よって、縦方向のパルス形状を整形することが可能になる。
【００９６】
なお、上記の説明では、パルス光の２次元形状を調整する調整手段として可変形ミラー４０を用いたが、調整手段は、これに限られるものではない。例えば、マイクロミラーがアレイ状に配列されたマイクロミラーアレイを調整手段として用いることができる。マイクロミラーアレイとしては、テキサス・インスツルメント社のものを用いることが好適である。もちろん、これら以外の調整手段を用いてもよい。
【００９７】
遮光部材３７として回転可能に配置された偏光子を用いることも可能である。すなわち、移動可能に設けられたシャッターの代わりに、回転可能に設けられた偏光板を用いることができる。例えば、分岐用ＰＢＳ２８で分岐された２本の光ビームの光路中にそれぞれ偏光板を配置する。そして、それぞれの偏光板を回転して、Ｐ偏光ミクロパルス、又はＳ偏光ミクロパルスを遮光する。例えば、一方の偏光板ではＰ偏光ミクロパルスを遮光して、他方の偏光板ではＳ偏光ミクロパルスを透過する。この場合、Ｐ偏光ミクロパルスの偏光面と偏光板の吸収軸が一致するように配置する。また、Ｓ偏光ミクロパルスの偏光面と偏光板の吸収軸が直交するように配置する。このようにしても、合成用ＰＢＳ２９へのミクロパルスの入射を遮ることができる。また、液晶パネル等を用いて遮光するようにしてもよい。なお、遮光部材３７はミクロパルスを完全に遮光しなくてもよい。
【００９８】
ミクロパルスの時間間隔は２．５ｐｓｅｃに限られるものではない。もちろん、全てのミクロパルスを等間隔にしなくてもよい。この場合、各段のスタックユニットでの時間遅延量が整数倍にならないようにする。
【００９９】
さらに、フォトカソード５１までに配置されたレンズやミラーなどの光学素子における波長分散を考慮して、パルススタッカー２０に入射するパルス幅を設定してもよい、例えば、透過型の光学素子では、分散によってパルス幅が広がってしまう。このような場合、フォトカソード５１に入射するパルス光のパルス幅は、パルススタッカー２０に入射するパルス光のパルス幅よりも広くなっている。従って、波長分散によるパルス幅の延びを補償するように、パルススタッカー２０に入射するパルス光のパルス幅を設定する。電子のバンチ長やビームスプリッタ４６で分岐されたパルス光のパルス幅を測定することで、フォトカソード５１に入射するパルス光を所望のパルス幅にすることができる。なお、ストリークカメラなどを用いて、パルス幅を測定してもよい。
【０１００】
さらに、合成用ＰＢＳ２９から漏れてくるパルス光の無偏光成分を測定するようにしてもよい。スタックユニット３１に入射したパルス光に存在する無偏光成分は、合成用ＰＢＳ２９から漏れてくる。このため、無偏光成分は、合成用ＰＢＳ２９からスタック用λ／２板２４やミラー３４に入射しない。合成用ＰＢＳ２９で合成されずに漏れてくる光を検出することができる。これにより、光を有効的に利用することができる。さらに、実質的に同じ形状のパルスを測定することができるため、より正確な測定が可能になる。例えば、漏れてくる光を検出して、横方向のパルス形状を測定してもよい。この場合、カメラやビームプロファイラーで無偏光成分を測定する。ここで、無偏光成分をカメラなどに入射する測定光とし、偏光成分を、フォトカソード５１において電子の発生に利用される利用光とする。合成用ＰＢＳ２９が２本の光ビームを合成することによって、合成用ＰＢＳ２９から測定光と利用光とが分岐されて出射する。そして、測定光をカメラ４７などで検出することによって、測定光のパルス形状を測定する。そして、測定光のパルス形状の測定結果に基づいて、利用光のパルス形状を調整する。これにより、利用光のパルス形状をフィードバック制御することができる。
【０１０１】
また、図３に示す構成のパルススタッカー２０では、１つのミクロパルスに応じた測定を行う際、そのミクロパルスの光路中に光学素子を配置することなく、測定を行うことができる。従って、系を壊さずにマスキングすることが可能になる。すなわち、遮光部材３７を光路中に挿入することで、各ミクロパルスを簡便にマスクすることができる。これにより、光学系の調整等が不要となり、正確な測定を簡便に行うことができる。
【０１０２】
次に、パルススタッカー２０の変形例について図５を用いて説明する。図５は、図３と異なる構成でミクロパルスを生成するためのスタッキングロッド１２０を示す図である。図５では、１つのパルス光から８つのミクロパルスをスタックするスタッキングロッド１２０が示されている。従って、スタッキングロッド１２０には、３段のスタックユニット１３１、１３２、１３３が設けられている。なお、パルススタッカー２０と同様の内容については説明を省略する。
【０１０３】
スタックユニット１３１〜１３３のそれぞれは、ウェッジ１２１、ウェッジ１２２、複屈折素子１２３、取出し用λ／２板１２４、取出し用ＰＢＳ１２５を備えている。さらに、スタックユニット１３１、１３２は、スタック用λ／２板１２６を有している。なお、それぞれのスタックユニット１３１〜１３３は、基本的に同じ構成を有している。ここでは、３つのスタックユニット１３１〜１３３が直列に配置されている。
【０１０４】
まず、パルス光は、１段目のスタックユニット１３１に入射する。すなわち、パルス光は、ウェッジ１２１、及びウェッジ１２２からなるウェッジペアに入射する。ウェッジペアで屈折されたパルス光は、複屈折素子１２３に入射する。ウェッジ１２１、及びウェッジ１２２を独立して回転させることによって、複屈折素子１２３に入射するパルス光の位置、及び入射角度を調整することができる。
【０１０５】
複屈折素子１２３は、例えば、α―ＢＢＯなどの結晶素子であり、入射したパルス光に対して複屈折効果を生じさせる。これにより、パルス光のうちの常光線と異常光線との間に時間遅延が生じる。すなわち、進相軸と平行な偏光成分に比べて、遅相軸に平行な偏光成分は、伝播速度が遅くなる。これにより、直交する偏光成分間に時間遅延が与えられる。複屈折素子１２３の光学軸をパルス光の光軸に垂直に配置する。Ｐ偏光成分が常光線であり、Ｓ偏光成分が異常光線であるとすると、Ｓ偏光成分がＰ偏光成分に比べて遅れる。例えば、複屈折素子１２３は、１０ｐｓｅｃのディレイを生じさせる。これにより、図４のＡに示したように、１０ｐｓｅｃずれた２つのミクロパルスが生成される。なお、複屈折素子として、ｗｗｗ．ｐａｎｔｏｔｅｋ．ｃｏｍ／Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔｃｒｙｓｔａｌｓ／ＡｌｐｈａＢＢＯ．ｈｔｍｌ等に記載の結晶を用いることができる。あるいは、ＣＲＹＳＴＥＣＨ社製  α−ＢＢＯ結晶を用いることもできる。また、α―ＢＢＯ結晶の代わりに、ＹＶＯ４結晶や液晶素子などを複屈折素子１２３として用いてもよい。例えば、ＹＶＯ４結晶を用いることで、波長４００ｎｍ〜５μｍのパルス光の整形が可能になる。
【０１０６】
スタック用λ／２板１２６は、スタック用λ／２板２４と同様に、直線偏光の偏光面を４５°回転させる。よって、図４のＢに示すようになり、＋４５°のミクロパルスと−４５°のミクロパルスが生成される。スタック用λ／２板１２６は、ミクロパルスを４５度偏光にする。そして、２つのミクロパルスが２段目のスタックユニット１３２に入射する。
【０１０７】
スタックユニット１３２，１３３の構成は、スタックユニット１３１と同様である。但し、各ユニットでは、複屈折素子１２３での遅延量が異なっている。スタックユニット１３２の複屈折素子１２３での遅延時間は、５ｐｓｅｃになっている。従って、スタックユニット１３２の複屈折素子１２３では、図４のＤに示すような４つのミクロパルスが生成される。そして、スタック用λ／２板１２６によって、図４のＥに示す状態になる。
【０１０８】
さらに、３段目のスタックユニット１３３における複屈折素子１２３での遅延時間は、２．５ｐｓｅｃになっている。従って、スタックユニット１３３の複屈折素子１２３を通過すると、図４のＦに示す状態となる。なお、３段目のスタックユニット１３３のみ、スタック用λ／２板１２６が設けられていない。Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスが交互に配置される。なお、α―ＢＢＯ結晶の厚み等を変えることで、所定の遅延時間を得ることができる。すなわち、複屈折素子１２３の長さは、与える時間遅延に応じて決定される。遅延時間を長くする場合、複屈折素子１２３を厚くする。例えば、ＣＲＹＳＴＥＣＨ社製のα―ＢＢＯ結晶ロッドを用いて１０ｐｓｅｃの時間遅延を与える場合、結晶ロッドの厚さを２ｃｍとする必要がある。また、５ｐｓｅｃの時間遅延を与える場合、厚さを１ｃｍとし、２．５ｐｓｅｃの時間遅延を与える場合、厚さを０．５ｃｍとする。遅延時間を長くする場合、透過率の高い複屈折素子１２３を用いることが好ましい。これにより、複屈折素子１２３でのパルス光の減衰を低減することができ、十分な強度のパルス光を得ることができる。
【０１０９】
各スタックユニットにおいて、複屈折素子１２３の後段には、取出し用λ／２板１２４、及び取出し用ＰＢＳ１２５が挿入可能に配置されている。すなわち、スタックユニット１３１、１３２では、複屈折素子１２３とスタック用λ／２板１２６との間に、取出し用λ／２板１２４、及び取出し用ＰＢＳ１２５が挿入される。また、スタックユニット１３３では、複屈折素子１２３の後方に取出し用λ／２板１２４、及び取出し用ＰＢＳ１２５を配置することができる。例えば、取出し用λ／２板１２４、及び取出し用ＰＢＳ１２５を矢印の方向にスライド移動させると、図５の点線に示すように、取出し用λ／２板１２４、及び取出し用ＰＢＳ１２５が光路上に、配置される。パルス形状の調整時には、取出し用λ／２板１２４、及び取出し用ＰＢＳ１２５が光路中に配置される。そして、各ミクロパルス光のプロファイルなどが測定される。一方、電子ビームの利用時には、取出し用λ／２板１２４、及び取出し用ＰＢＳ１２５が光路中から取り除かれる。これにより、８つのミクロパルスがスタックされた状態で光学系を伝播する。このように、取出し用λ／２板１２４、及び取出し用ＰＢＳ１２５は、光路中に挿脱可能に配置されている。
【０１１０】
取出し用λ／２板１２４、及び取出し用ＰＢＳ１２５が光路中に配置されると、一方のミクロパルスが、スタック用λ／２板１２６に入射しない。すなわち、複屈折素子１２３からの２つのミクロパルスは、同一光軸上を伝播して、取出し用λ／２板１２４に入射する。しかしながら、取出し用λ／２板１２４の後方には、取出し用ＰＢＳ１２５が配置されている。取出し用λ／２板１２４の回転角度を調整することで、一方のミクロパルスのみが取出し用ＰＢＳ１２５を通過し、他方のミクロパルスが反射される。すなわち、Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスのうちの一方のみが取出し用ＰＢＳ１２５を通過して、スタック用λ／２板１２６に入射する。換言すると、取出し用ＰＢＳ１２５は、Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスのうちの他方がスタック用λ／２板１２４に入射するのを遮光する。このように、取出し用ＰＢＳ１２５は、偏光状態に応じて、次の段のスタックユニット１３２に１つのミクロパルスが入射するのを遮る。
【０１１１】
このように、取出し用λ／２板１２４、及び取出し用ＰＢＳ１２５が光路中に配置された状態では、一方のミクロパルスがスタックユニット１３２に入射する。取出し用λ／２板１２４、及び取出し用ＰＢＳ１２５が光路中から除去された状態では、Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスの両方がスタックユニット１３２に入射する。従って、３つのスタックユニット１３１〜１３３において、取出し用λ／２板１２４、及び取出し用ＰＢＳ１２５を光路中に挿入すれば、上記と同様に、８つのミクロパルスのうちの１つのみが取り出される。そして、取り出すミクロパルスに応じて取出し用λ／２板１２４を回転させる。
【０１１２】
このように、スタッキングロッド１２０では、複屈折素子１２３によって、パルス光の直交する偏光成分間に時間遅延を与えている。そして、複屈折素子１２３から出射したパルス光の直交する偏光成分の一方を他方の偏光成分から取り出す手段を光路中に挿脱可能に配置している。そして、パルス光の直交する偏光成分の一方を他方の偏光成分から取り出す手段を光路中に挿入した状態で、可変形ミラー４０などを用いて、複屈折素子１２３からのパルス光のパルス形状を調整する。可変形ミラー４０などによりパルス形状を調整するために、カメラ４７やビームモニタ５５などで一方の偏光成分に応じた測定を行う。このような構成のスタッキングロッド１２０を電子銃１００に用いることで、上記と同様に、ミクロパルス毎の調整が可能になる。また、調整の自動化を簡便に行うことができる。
【０１１３】
図４の構成では、複屈折素子１２３間に４５度偏光にするスタック用λ／２板１２６を入れていたが、省略することも可能である。例えば、複屈折素子１２３の結晶ロッドを回転させて結晶軸を４５度傾けてもよい。すなわち、スタック用λ／２板１２６の代わりに、結晶ロッドを回転させることで、各偏光成分のパワーを調整することができる。これにより、構成を大幅に簡略化できる。
【０１１４】
さらに、取出し用ＰＢＳ１２５によって分岐された偏光成分を測定することも可能である。すなわち、取出し用ＰＢＳ１２５を通過せずに反射した偏光成分のプロファイル等を測定し、その測定結果に基づいてパルス形状を調整してもよい。例えば、取出し用ＰＢＳによってＰ偏光ミクロパルスが取り出され、スタック用λ／２板１２６に入射する場合、取出し用ＰＢＳ１２５で反射されたＳ偏光ミクロパルスをカメラなどで測定する。そして、Ｓ偏光ミクロパルスの測定結果に基づいてプロファイルを調整する。なお、偏光成分の一方を取り出す手段は、光路中に挿脱可能に設けられた偏光板などであってもよい。偏光板を、回転させることで、Ｓ偏光ミクロパルス、又はＰ偏光ミクロパルスを取り出すことができる。
【０１１５】
発明の実施の形態２．
本実施の形態では、電子銃１００において、図３で示したパルススタッカー２０の代わりに、図６に示すパルススタッカー７０が用いられている。パルススタッカー以外の構成については、図１と同様であるため、説明を省略する。図６に示すパルススタッカー７０では、４つのスタックユニット８３ａ〜８３ｄが用いられている。そして、４つのスタックユニット８３ａ〜８３ｄが並列に配置されている。これにより、１パルスから８つのミクロパルスを生成することができる。なお、パルススタッカー７０においても、実施の形態１と同様の内容については説明を省略する。さらに、スタックユニット８３ａ〜８３ｄは、実施の形態１で示したスタックユニット３１〜３３と同様の構成であるため、一部の構成が省略して図示されている。例えば、アクチュエータ２７、固定ミラー対２５、及び可動ミラー対２６については、実施の形態１と同様の構成であるため、省略されて図示している。本実施の形態では、パルススタッカー７０が、パルス光をラグビーボール状のエリプソイド形状にするための構成を有している。
【０１１６】
スタックユニット８３ａ〜８３ｄの前段には、前段側λ／２板８４、前段側λ／２板８５ａ、前段側λ／２板８５ｂ、前段側ＰＢＳ７１、前段側ＰＢＳ７１ａ、及び前段側ＰＢＳ７１ｂが配置されている。また、スタックユニット８３ａ〜８３ｄの後段には、ミラー８１、後段側分岐用ビームスプリッタ７４、後段側分岐用ビームスプリッタ７６、後段側分岐用ビームスプリッタ７８、後段側合成用ビームスプリッタ７５、後段側合成用ビームスプリッタ７７、後段側合成用ビームスプリッタ７９、アパーチャー８６ｂ、アパーチャー８６ｃ、及びアパーチャー８６ｄが設けられている。
【０１１７】
スタックユニット８３ａ〜８３ｄの後段では、合成ユニット８８ａ〜８８ｃが設けられている。合成ユニット８８ａは、後段側分岐用ビームスプリッタ７４と、後段側合成用ビームスプリッタ７５と、２枚のミラー８１から構成される。合成ユニット８８ｂは、後段側分岐用ビームスプリッタ７６と、後段側合成用ビームスプリッタ７７と、２枚のミラー８１から構成される。合成ユニット８８ｃは、後段側分岐用ビームスプリッタ７８と、後段側合成用ビームスプリッタ７９と、２枚のミラー８１から構成される。なお、合成ユニット８８ａ、合成ユニット８８ｂ、及び合成ユニット８８ｃは同じ構成を有している。
【０１１８】
光源部１０からのパルス光は、前段側λ／２板８４に入射する。前段側λ／２板８４は、直線偏光であるパルス光の偏光軸を回転させる。これにより、偏光軸が４５°回転する。そして、前段側λ／２板８４から出射したパルス光は、前段側ＰＢＳ７１に入射する。１段目の前段側ＰＢＳ７１は、偏光状態に応じて入射したパルス光を分岐する。これにより、Ｓ偏光成分の光ビームと、Ｐ偏光成分の光ビームとに分岐される。そして、Ｐ偏光成分の光ビームは、２段目の前段側λ／２板８５ａを介して前段側ＰＢＳ７１ａに入射し、Ｓ偏光成分の光ビームは、２段目の分岐用λ／２板８５ｂを介して前段側ＰＢＳ７１ｂに入射する。分岐用λ／２板８５ａ、８５ｂは偏光軸を４５°回転させている。このように、λ／２板とＰＢＳを交互に２回づつ通過する。これにより、パルス光が４つの光ビームに分岐される。具体的には、２本のＰ偏光ビームと２本のＳ偏光ビームが生成される。
【０１１９】
４本の光ビームは、それぞれのスタックユニット８３ａ〜８３ｄに入射する。具体的には、前段側ＰＢＳ７１ａからのＰ偏光ビームがスタックユニット８３ａに入射し、前段側ＰＢＳ７１ａからのＳ偏光ビームがスタックユニット８３ｂに入射する。また、前段側ＰＢＳ７１ｂからのＰ偏光ビームがスタックユニット８３ｃに入射し、前段側ＰＢＳ７１ｂからのＳ偏光ビームがスタックユニット８３ｄに入射する。
【０１２０】
スタックユニット８３ａ〜８３ｄは、スタックユニット３１とほぼ同じ構成を有している。例えば、スタックユニット８３ａに入射した光ビームは、Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスに分岐される。ここで、スタックユニット８３ａ〜８３ｄにおいて与えられる光路長差が異なっている。例えば、スタックユニット８３ａでは、２．５ｐｓｅｃの遅延時間に相当する光路長差が与えられる。これにより、スタックユニット８３ａから出射するＳ偏光ミクロパルスがＰ偏光ミクロパルスよりも２．５ｐｓｅｃ遅れる。また、スタックユニット８３ｂでは、７．５ｐｓｅｃの遅延時間に相当する光路長差が与えられ、スタックユニット８３ｃでは、１２．５ｐｓｅｃの遅延時間に相当する光路長差が与えられ、スタックユニット８３ｄでは、１７．５ｐｓｅｃの遅延時間に相当する光路長差が与えられる。
【０１２１】
そして、４つのスタックユニット８３ａ〜８３ｄからのミクロパルスを順番に合成していく。ここで、８つのミクロパルスは、合成ユニット８８ａ〜８８ｃで順番に合成される。ここでは、３つの合成ユニット８８ａ、３つの合成ユニット８８ｂ、合成ユニット８８ｃが直列に配置されている。そして、合成ユニット８８ａは、スタックユニット８３ａ、８３ｂからのミクロパルスを合成する。これにより、計４つのミクロパルスが合成される。合成ユニット８８ｂは、合成ユニット８８ａからのミクロパルスと、スタックユニット８３ｃからのミクロパルスとを合成する。これにより、計６つのミクロパルスが合成される。合成ユニット８８ｃは、合成ユニット８８ｂからのミクロパルスと、スタックユニット８３ｄからのミクロパルスとを合成する。これにより、計８つのミクロパルスが合成される。以下に、合成ユニット８８ａ〜８８ｃにおけるミクロパルスの合成について詳細に説明する。
【０１２２】
スタックユニット８３ａのミクロパルスは、ミラー８１を介して、１段目の合成ユニット８８ａに設けられた後段側分岐用ビームスプリッタ７４に入射する。スタックユニット８３ｂのミクロパルスは、アパーチャー８６ｂを介して、１段目の合成ユニット８８ａに設けられた後段側分岐用ビームスプリッタ７４に入射する。後段側分岐用ビームスプリッタ７４は、無偏光ビームスプリッタである。従って、偏光状態に関係なく、入射した光を分割する。これにより、スタックユニット８３ａ、８３ｂからのＳ偏光ミクロパルスとＰ偏光ミクロパルスとが分岐される。そして、分岐されたミクロパルスは、ミラー８１で反射されて、後段側合成用ビームスプリッタ７５に入射する。後段側合成用ビームスプリッタ７５は、無偏光ビームスプリッタであり、偏光状態に関係なく、後段側合成用ビームスプリッタ７５で分岐された光ビームを合成する。これにより、４つのミクロパルスが合成される。
【０１２３】
ここで、スタックユニット８３ｂと合成ユニット８８ａとの間には、アパーチャー８６ｂが配置されている。このアパーチャー８６ｂは、例えば、円形の開口部を有している。従って、アパーチャー８６ｂの開口部の外側に入射した光は、遮光され、後段側分岐用ビームスプリッタ７４に入射できない。アパーチャー８６ｂを通過したミクロパルスのみが後段側分岐用ビームスプリッタ７４に入射する。これにより、スタックユニット８３ｂからのミクロパルスのビーム径が制限され、スタックユニット８３ｂからのミクロパルスのビーム径よりも小さくなる。これにより、横方向におけるビームのプロファイルが変化する。
【０１２４】
さらに、スタックユニット８３ａとスタックユニット８３ｂとの間で光学的な距離を変えている。これにより、４つのミクロパルスに光路長差が与えられる。それぞれのミクロパルスのタイミングがずれる。ここでは、スタックユニット８３ｂからの２つのミクロパルスの間に、スタックユニット８３ａからの２つのミクロパルスが配置される。そして、合成ユニット８８ａからは、４つのミクロパルスが同じ光軸に沿って出射する。
【０１２５】
合成ユニット８８ａのミクロパルスは、ミラー８１を介して、２段目の合成ユニット８８ｂに設けられた後段側分岐用ビームスプリッタ７６に入射する。スタックユニット８３ｃのミクロパルスは、アパーチャー８６ｃを介して、２段目の合成ユニット８８ｂに設けられた後段側分岐用ビームスプリッタ７６に入射する。
【０１２６】
２段目の合成ユニット８８ｂは、合成ユニット８８ａからのミクロパルスとスタックユニット８３ｃからのミクロパルスを、同様に合成する。これにより、４つのミクロパルスと２つのミクロパルスとが合成用ビームスプリッタ７７で合成されて、出射する。ここで、スタックユニット８３ａ〜８３ｃの間で光学的な距離を変えている。これにより、６つのミクロパルスに光路長差が与えられる。それぞれのミクロパルスのタイミングがずれる。ここでは、スタックユニット８３ｃからの２つのミクロパルスの間に、合成ユニット８８ａからの４つのミクロパルスが配置される。そして、合成ユニット８８ｂからは、６つのミクロパルスが同じ光軸に沿って出射する。
【０１２７】
ここで、スタックユニット８３ｃと合成ユニット８８ｂとの間には、アパーチャー８６ｃが配置されている。このアパーチャー８６ｃは、例えば、円形の開口部を有している。従って、アパーチャー８６ｃの開口の外側に入射した光は、遮光され、後段側分岐用ビームスプリッタ７６に入射できない。アパーチャー８６ｃを通過したミクロパルスのみが後段側分岐用ビームスプリッタ７６に入射する。これにより、スタックユニット８３ｃからのミクロパルスのビーム径が制限される。さらに、アパーチャー８６ｃの開口部をアパーチャー８６ｂの開口部よりも小さくしている。従って、スタックユニット８３ｃからのミクロパルスのビーム径は、スタックユニット８３ｂからのミクロパルスのビーム径よりも小さくなる。アパーチャー８６ｂは横方向におけるビームのプロファイルを変化させる。
【０１２８】
合成ユニット８８ｂのミクロパルスは、ミラー８１を介して、３段目の合成ユニット８８ｃに設けられた後段側分岐用ビームスプリッタ７８に入射する。スタックユニット８３ｄのミクロパルスは、アパーチャー８６ｄを介して、合成ユニット８８ｃに設けられた後段側分岐用ビームスプリッタ７８に入射する。
【０１２９】
３段目の合成ユニット８８ｃは、合成ユニット８８ｂからのミクロパルスとスタックユニット８３ｄからのミクロパルスを、同様に合成する。これにより、６つのミクロパルスと２つのミクロパルスとが合成用ビームスプリッタ７９で合成されて、出射する。ここで、スタックユニット８３ａ〜８３ｄの間で光学的な距離を変えている。これにより、８つのミクロパルスに光路長差が与えられる。それぞれのミクロパルスのタイミングがずれる。ここでは、スタックユニット８３ｄからの２つのミクロパルスの間に、合成ユニット８８ｂからの６つのミクロパルスが配置される。そして、合成ユニット８８ｄからは、８つのミクロパルスが同じ光軸に沿って出射する。
【０１３０】
スタックユニット８３ｄと合成ユニット８８ｃとの間には、アパーチャー８６ｄが配置されている。このアパーチャー８６ｄは、アパーチャー８６ｃよりも小さい円形の開口部を有している。これにより、スタックユニット８３ｄからのミクロパルスのビーム径は、スタックユニット８３ｃからのミクロパルスのビーム径よりも小さくなる。このように、アパーチャー８６ｂ〜８６ｄではビームの通過が制限されるため、ミクロパルスのプロファイルが変化する。
【０１３１】
このようにパルススタッカー７０から出射したパルス光は、所定の時間間隔で配置された８つのミクロパルスを有している。そして、アパーチャー８６ｂ〜８６ｃによって、ビーム径がミクロパルス毎に変化している。すなわち、図６に示すように、マクロパルスのうち１番目と８番目のミクロパルスは、アパーチャー８６ｄを通過しているため、ビーム径が最小になる。また、２番目と７番目のミクロパルスは、アパーチャー８６ｄを通過しているため、ビーム径が２番目に小さくなる。３番目と６番目のミクロパルスは、アパーチャー８６ｃを通過しているため、ビーム径が２番目に大きくなる。そして、４番目と５番目のミクロパルスは、アパーチャーを通過していないため、ビーム径が最大になる。
【０１３２】
マクロパルス全体のビーム径は時間とともに大きくなっていき、縦方向におけるマクロパルスの中央近傍で最大になる。すなわち、４番目と５番目のミクロパルスに対応するタイミングで、ビーム径が最大になる。そして、縦方向におけるマクロパルスの中央近傍から時間とともにビーム径が小さくなっていく。縦方向におけるビームプロファイルは時間に応じて変化する。縦方向におけるプロファイルは対称になる。このようなパルススタッカー７０を用いることによって、エリプソイド形状のマクロパルスを得ることができる。もちろん、エリプソイド形状以外の整形することも可能である。実施の形態１と同様に、パルス整形を容易に行うことができる。さらに、様々な形状のパルス光を簡素な構成で整形することができる。また、アパーチャー８６ｂ〜８６ｄの開口径を可変にすることで、様々な形状に整形することができる。
【０１３３】
なお、上記の説明では、アパーチャー８６ｂ〜８６ｄを用いてプロファイルを変えたが、プロファイルを変えるプロファイル変化手段はこれに限られるものではない。例えば、１対のレンズなどを用いてプロファイルを変えることも可能である。すなわち、レンズペアからなるダウンコリメートレンズを用いることができる。そして、ビーム径を縮小して、プロファイルを変化する。縮小光学系であるレンズペアを用いる場合、光量を減らすことなくビーム径を変更することができる。もちろん、レンズペアを拡大光学系として、ビーム径を拡大してもよい。さらには、レンズペアとアパーチャーの両方を用いてプロファイルを変化させてもよい。さらに、位置に応じて透過率の異なる空間フィルタ等を用いてプロファイルを変化させてもよい。なお、光ビームを平行光束としたまま、ビーム径を変えることが好ましい。また、合成ユニット８８ａと、スタックユニット８３ａとの間にアパーチャーなどを配置して、プロファイルを変化させてもよい。
【０１３４】
このように、本実施の形態では、スタックユニット８３ａ〜８３ｄを並列配置している。このため、合成前の光路中に、プロファイル変化手段を配置することができる。このため、ミクロパルスを個別に調整することが可能になる。このことによって、パルス光を様々な形状に整形することができる。特に、縦方向（光軸と平行な方向）における調整が容易になる。また、Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスが交互に配置されるため、光干渉を低減することができる。
【０１３５】
実施の形態１と同様にλ／２板２４の角度を調整することによって、Ｐ偏光ミクロパルスとＳ偏光ミクロパルスの光強度の比を調整することができる。また、遮光部材３７を挿入することによって、個々のミクロパルス形状の測定が可能になる。これにより、より精密なパルス形状の整形が可能になる。さらに、遮光部材３７を挿入することやλ／２板２４を回転させることによって、一方のミクロパルスを除去することができる。これにより、ビーム径を調整する自由度が高くなる。すなわち、全てのミクロパルスを異なるビーム径にすることができる。よって、所望の形状のパルス光を得ることができる。
【０１３６】
さらに、本実施の形態では、後段側合成用ビームスプリッタ７５、７７、７９からの光を測定する測定部９０が設けられている。測定部９０は、光を合成する際に漏れてくる光を効率的に利用している。例えば、後段側合成用ビームスプリッタ７５には、無偏光ビームスプリッタが設けられている。このため、後段側合成用ビームスプリッタ７５光を合成する際にロスが生じ、一部がミラー８１に入射しなくなる。換言すると、測定部９０には、後段側合成用ビームスプリッタ７５からミラー８１に入射しない光ビームが入射する。後段側合成用ビームスプリッタ７５から出射する２本の光ビームのうちの一方がミラー８１に入射し、他方が測定部９０に入射する。すなわち、後段側合成用ビームスプリッタ７５で合成されてミラー８１に向かう光ビームではない光ビームを測定部９０で測定する。
【０１３７】
ここで、後段側合成用ビームスプリッタ７５から出射する光ビームのうち測定部９０に入射する光ビームを測定光とする。また、後段側合成用ビームスプリッタ７５から出射する光ビームのうちミラー８１に入射する光ビームを利用光とする。利用光は、上記のようにフォトカソード５１に入射して電子の発生に利用される。測定部９０は、測定光を利用してパルス形状の測定を行っている。これにより、光を効率的に使用することができる。さらに、ミクロパルスをモニタしながらのパルス整形が可能になる。
【０１３８】
測定部９０は、パルス形状を測定するためのカメラなどを有している。例えば、２次元カメラなどによって、横方向のプロファイルを測定することができる。さらに、測定部９０によって、縦方向のプロファイルを測定してもよい。ここで、縦方向のプロファイルを測定するための好適な構成例について図７を用いて説明する。図７は縦方向のプロファイルを測定する測定部９０の構成を示す図である。測定部９０は、測定用ＰＢＳ９１、ミラー９２、非線形光学素子９３、分光器９４及びプローブ用光変調器９５を有している。
【０１３９】
測定用ＰＢＳ９１には、後段側合成用ビームスプリッタ７５からの光ビームが入射している。ここでは２つのミクロパルスを有する光ビームが入射している。例えば、スタックユニット８３ｂで、スタックユニット８３ｂからのミクロパルスを遮光する。具体的には、スタックユニット８３ａ、８３ｂにおいて、遮光部材３７を挿入することで、２つのミクロパルスを遮光することができる。この場合、２つのミクロパルスを有するダブルパルスが後段側合成用ビームスプリッタ７５から取り出される。測定用ＰＢＳ９１は、ミラー９２の方向にダブルパルスを反射する。ここで、パルス形状の測定対象であるダブルパルスを、測定光とする。
【０１４０】
さらに測定用ＰＢＳ９１には、プローブ用光変調器９５でチャープされたチャープパルスが入射している。このチャープパルスが、パルス形状の測定に利用されるプローブ光となる。チャープパルスはダブルパルスの間隔＋パルス幅よりも長いパルス幅を有している。すなわち、ダブルパルス全体がチャープパルスと重複する。このチャープパルスをプローブ光として利用する。プローブ光は時間に応じて波長が変化する。チャープパルスはプローブ用光変調器９５によって、矩形状にチャープされている。より好ましくは矩形である。チャープを長くして、フラットに近い中央部を使うようにしてもよい。但し、チャープを長くすると、レーザ強度が落ちるという問題があるすなわち、チャープパルスでは、時間とともに波長が変化している。このチャープされたパルス光は、光源部１０から取り出すことができる。例えば、再生増幅器１４、又はマルチパス増幅器１５から出射するパルス光の一部を取り出して、チャープパルスとすることができる。ここでは、例えば、基本波（７９０ｎｍ）をプローブ光として取り出している。そして、測定用ＰＢＳ９１は媒質を透過することによる分散でのダブルパルス側のパルスの伸びを防いでおいて、チャープパルスを通過させる。これにより、ダブルパルスとチャープパルスとが合成される。ここで、チャープパルスとダブルパルスとは同期して、測定用ＰＢＳ９１に入射する。
【０１４１】
ダブルパルスの偏光方向を、例えば、４５°回転させている。ここでは、波長板や偏光子などを用いて、偏光方向を回転させる。測定用ＰＢＳ９１では、ダブルパルスのＳ偏光成分、又はＰ偏光成分が取り出される。また、測定用ＰＢＳ９１からは、チャープパルスが取り出される。従って、測定用ＰＢＳ９１で効率よく合成される。測定用ＰＢＳ９１で合成されたパルス光は、ミラー９２で反射され、非線形光学素子９３に入射する。非線形光学素子９３は、例えば、ＫＤＰなどの非線形光学結晶である。非線形光学素子９３では第２高調波発生（ＳＨＧ）、差周波発生（ＤＦＧ）及び和周波発生（ＳＦＧ）が生じる。ここでは、非線形光学素子９３によって、第２高調波やダブルパルスとチャープパルスとの和周波、差周波が発生する。なお、第２高調波は、同じ波長での非線形光学効果による和周波と捉えることもできる。チャープパルスとダブルパルスとは同期しているため、非線形光学素子９３に入射するタイミングが一致している。また、チャープパルスは、ダブルパルスよりも十分長いパルス幅を有している。これにより、効率よく和周波、又は差周波が発生する。
例えば、測定光であるダブルパルスが３倍波の場合、基本波のチャープパルスとダブルパルスとの差周波を発生させる。これにより、基本波の２倍波が発生する。測定光が紫外域の３倍波である場合でも、差周波を用いることで、容易に測定することができる。また、測定光であるダブルパルスが基本波の場合、チャープパルスとダブルパルスとの和周波により、基本波の２倍波を発生させてもよい。
【０１４２】
非線形光学素子９３によって発生した和周波又は差周波は、分光器９４に入射する。分光器９４は、入射した和周波のスペクトルを測定する。例えば、分光器９４は、入射側に設けられているスリット等を介して入射したパルスレーザ光をその波長に応じて空間的に分散させる。反射型回折格子を用いた分光器９４の場合、さらに入射スリットからの光を分光素子までに導く凹面ミラーと分光素子によって分光された光を２次元アレイカメラまで導く凹面ミラーなどの光学系が設けられている。もちろん、上記以外の構成を有する分光器９４を用いてもよい。入射光は分光器９４によって入射スリットの方向と垂直な方向に分散される。すなわち、分光器９４は、入射スリットのライン状の開口部と垂直な方向に出射光を波長分散する。分光器９４により分光された出射光は２次元アレイカメラに入射する。２次元アレイカメラには、受光素子がマトリクス状に配列されている。
【０１４３】
分光器９４で分光されることによって、異なる波長の光が、異なる受光画素に入射する。すなわち、波長に応じて入射する受光画素がずれる。これにより、和周波又は差周波のスペクトル測定が可能になる。例えば、最長波長の光は受光画素列の一端側の受光画素に入射し、最短波長の光は他端側の受光画素に入射する。そして、波長に応じて入射する受光画素が異なる。さらに、チャーピングされたパルスレーザ光を用いているため、受光画素列がパルスレーザ光内の時間に対応する。従って、パルス内において異なるタイミングの光は、異なる受光画素に入射する。例えば、パルス先端の光は、受光画素列の一端側の受光画素に入射し、パルス後端の光は、受光画素列の他端の受光画素に入射する。そして、１パルスのスペクトルを分光器９４のカメラの１フレームで検出する。すなわち、分光器９４のカメラの１フレームで、パルスレーザ光の１パルスのスペクトルが取得される。これにより、和周波、又は差周波のスペクトル分布を高速に測定することができる。
【０１４４】
このように、分光器９４では、ダブルパルスとチャープパルスの和周波又は差周波のスペクトルが測定される。さらに、チャープパルスを用いているため、波長が時間に対応する。ダブルパルスに含まれるミクロパルスの時間間隔は、スペクトルのピーク波長間隔に相当する。スペクトルには、縦方向におけるダブルパルスの形状の情報が含まれている。これにより、ミクロパルスの間隔を正確に測定することができる。具体的には、パルス間隔をτとすると、ピーク波長の間隔はτに基づく値となる。これにより、パルス間隔τを算出することができる。
【０１４５】
このように、非線形光学素子９３、及び分光器９４を用いることで、縦方向のパルス形状を正確に測定することができる。なお、チャープパルスの代わりに２色のダブルパルスをプローブ光として用いてもよい。この場合、プローブ用光変調器９５によって、基本波のパルスレーザ光を変調させる。そして、波長の異なるダブルパルスを発生させる。例えば、１つ目のパルスを短波長にして、２つめのパルスを長波長にする。もちろん、この反対でもよい。このように、時間に応じて異なる波長となるパルス光をプローブ光とする。
そして、プローブ用の２色ダブルパルスと測定用のダブルパルスを同期させて、非線形光学素子９３に入射させる。すなわち、測定光であるダブルパルスとプローブ光である２色ダブルパルスを重ね合わせる。これにより、非線形光学素子９３で和周波や差周波が発生する。ここで、測定光であるダブルパルスは、２色ダブルパルスと重複している。波長の異なる２色ダブルパルスとの和周波、又は差周波を分光器９４で測定する。
なお、縦方向におけるパルス形状の測定については、例えば、ファーストライト（ＦＡＳＴＬＩＴＥ）社製ＰＨＡＺＺＬＥＲ（登録商標）を利用することができる。これにより、パルス形状を簡便に測定することができる。例えば、基本波を測定光とする場合、測定光であるダブルパルスをＰＨＡＺＺＬＥＲ（登録商標）に入射させる。これにより、プローブ光である２色ダブルパルスと、測定光との和周波を発生させることができる。そして、ＰＨＡＺＺＬＥＲ（登録商標）の分光器でスペクトルを測定することで、縦方向のパルス形状を測定することができる。このように、ＡＯ変調を利用したプローブ用光変調器９５を用いることで、プローブ光と測定光との和周波又は差周波を容易に発生させることができる。
【０１４６】
また、測定光に含まれるミクロパルスの数は、２つに限られるものではない。例えば、測定光が、４つ又は８つのミクロパルスを含んでいてもよい。このような場合、パルススタッカー７０の後段に、ＰＢＳを挿脱可能に配置する。８つのミクロパルスを取り出すときは、パルススタッカー７０の出射側のλ／２板で、４５°偏光にする。そして、ＰＢＳでＳ偏光成分かＰ偏光成分を取り出す。これにより、８つのミクロパルスを取り出すことができる。また、プローブ光としても、８色のミクロパルスを用意する。すなわち、測定光に含まれるミクロパルスと同数のミクロパルスをプローブ光として用意する。なお、プローブ光のミクロパルスは矩形パルスとしてもよい。あるいは、測定光の８つのミクロパルス列をカバーするパルス幅のチャープパルスをプローブ光として用意してもよい。４つのミクロパルスを取り出すときは、例えば、各段のスタックユニットで、一方の偏光成分をマスクする。これにより、例えば、Ｐ偏光成分のみが取り出される。４つのミクロパルスを測定する場合、１つおきにミクロパルスを取り出すことができる。例えば、Ｐ偏光ミクロパルスのみを取り出すことが可能になる。このようにすることで、各ミクロパルス間隔と、各ミクロパルスの縦方向の形状を同時に測定することができる。もちろん、上記の測定方法は、実施の形態１で示したパルススタッカー２０やスタッキングロッド１２０に対しても利用可能である。
【０１４７】
さらに、分光器９４の測定結果に基づいて、ミクロパルス毎に縦方向のパルス形状を測定することもできる。このための信号処理について図８〜図１１を用いて説明する。なお、以下の信号処理は、例えば、制御装置４８で実施することができる。
【０１４８】
まず、図８に示すデータをフーリエ変換する。なお、図８に示すデータは、分光器９４で測定されたスペクトルの一例である。フーリエ変換することで、図９に示す時間領域のデータが得られる。チャープパルスとダブルパルスに基づいた和周波であるため、図９に示すように、例えば、ダブルパルスを例に取ると、２つのサイドバンドが発生している。２つのサイドバンドは±τ近傍に現れている。ここで、１つのサイドバンドに着目して、サイドバンドをウィンドウで取り出す。ここでは、時間τ近傍にサイドバンドが表れている。このサイドバンドをウィンドウで切り出す。これにより、図１０に示すデータが得られる。ここで、図１０で示すデータに対してフーリエ逆変換を行う。これにより、図１１に示すように、周波数領域のデータが得られる。
【０１４９】
ここで、図１１に示すデータは、以下の式で表される。
φ１（ω）＋ωτ
【０１５０】
なお、φ１（ω）はサイドバンドとして取り出した方のミクロパルスの形状を示す関数であり、τは上記の通りパルス間隔である。ここで、図１１に示すデータからωτの項を削除して、データをつなぎ合わせると、図１２に示すグラフとなる。なお、図１２に示すφ１（ｔ）には、周波数強度分布（振幅スペクトル）と周波数位相分布（位相スペクトル）の情報が含まれている。図１２に示すデータをフーリエ変換すると、図１３に示す時間領域のデータが得られる。ここで、時間領域の強度分布が縦方向のパルス形状になる。
【０１５１】
このような測定を行うことで、ミクロパルス毎に縦方向のパルス形状を正確に測定することができる。そして、この測定結果に基づいて、パルスを整形する。例えば、測定結果に基づいて、制御装置４８が、光変調器１３を制御する。これにより、より正確なパルス整形を行うことができる。また、後段側合成用ビームスプリッタ７５から漏れてくる光は、実際にスタックされるミクロパルスと同じ形状を有している。従って、精度の高い測定が可能になる。また、同様に、後段側合成用ビームスプリッタ７７、７９から出射する光を検出してもよい。さらには、２以上のミクロパルスを同時に測定してもよい。この場合でも、それぞれのサイドバンドに着目することで、ミクロパルスの形状を測定することができる。
【０１５２】
さらに、合成用ＰＢＳ２９ａ〜２９ｄから漏れてくるパルス光を測定するようにしてもよい。スタックユニット８３ａに入射したパルス光に存在する無偏光成分は、合成用ＰＢＳ２９ａから漏れてくる。合成用ＰＢＳ２９ａからミラー８１に入射せずに、漏れてくる光を検出することができる。これにより、光を有効的に利用することができる。さらに、実質的に同じパルス形状のパルスを測定することができるため、より正確な測定が可能になる。もちろん、漏れてくる光を検出する測定部９０で横方向のパルス形状を測定してもよい。この場合、測定部９０にカメラやビームプロファイラーを設ける。ここでは、無偏光成分が測定部９０に入射する測定光になる。そして、偏光成分がミラー８１に入射する利用光となる。
【０１５３】
上記のパルススタッカー７０を、実施の形態１と同様に、電子銃以外の用途に用いてもよい。もちろん、実施の形態１と実施の形態２とを適宜組み合わせてもよい。例えば、パルススタッカー７０においても遮光部材３７やスタック用λ／２板２４を用いて、ミクロパルスを遮光することができる。各ミクロパルスの最適化が可能になる。さらには、実施の形態２に示すパルススタッカー７０において、入射側λ／４板２１、入射側λ／２板２２、及び入射側ＰＢＳ２３を用いてもよい。同様に、実施の形態２に示すパルススタッカー７０において、出射側λ／２板３５を用いてもよい。なお、実施の形態１、２において、各ミクロパルスは完全にずれていなくてもよい。すなわち、ミクロパルスの一部が時間的に重複していてもよい。
【０１５４】
上記のように、パルススタッカーにおいて、分岐用ＰＢＳ２８で分岐された後の光ビームの一方を遮光部材３７によって、遮光している。このため、各ミクロパルスをより正確に測定することができ、パルス形状の微調整が可能になる。さらに、実施の形態２に係るパルススタッカー７０において、アパーチャー８６ｂ〜８６ｄなどを用いて、ビームのプロファイルを調整している。これにより、ミクロパルス毎の整形が可能になる。さらに、カメラ４７や測定部９０でパルス形状を測定している。また、ビームモニター５５で光ビームに応じた測定を行っている。そして、これらの測定結果に基づいて、パルス形状を整形している。これにより、より精度よく調整することが可能になる。よって、精度よくパルス形状を整形することができ、所望のバンチ形状に近づけることができる。
時間的に重複していてもよい。
【０１５５】
また、実施の形態１、２に示す構成により、深紫外、真空紫外域〜１５７ｎｍまでのパルス光に対しても整形が可能になる。このように、本発明は、波長が１５７ｎｍ〜４００ｎｍのパルス光の整形に好適である。さらに、広波長帯域で使用可能なため、超短パルスを整形することが可能になる。
【０１５６】
実施例
上記のパルス整形装置で整形したパルス形状の測定結果を図１４〜図２２に示す。図１４〜図２２では、光変調器１３での２次分散を変えたときの、電子ビームのエネルギースペクトルを示す図である。ここでは、上記のように、ベンディングマグネットによって電子ビームのバンチ内電子ビームを空間的に分散させた。そして、ビームモニタ５５としてビームプロファイラーを用い、分散されたバンチ内電子ビームの横方向空間分布を測定した。上記のように、電子のエネルギーによってベンディングマグネットでの曲率が変化する。また、ＲＦ電子銃では、時間に応じて加速エネルギーが異なる。従って、バンチ内電子ビームのエネルギー分布を測定することによって、縦方向のパルス形状を計測した。
【０１５７】
図１４〜図２２は、分散部での電子ビームの空間分布を示すグレースケールのイメージデータである。なお、分散部とは、ベンディングマグネットで電子ビームを曲げた後の箇所である。図１４〜図２２では、電子がエネルギーに応じて横方向に分散されている。ここで、図１４〜図２２において、左側が高エネルギー側であり、パルス光の先端側になる。なお、図１４〜図２２では、実際の測定で取得されたカラーイメージデータをグレースケールで表示している。また、図１４〜図２２の下部には、点線箇所におけるプロファイルのデータが示されている。
さらに、２次分散の０点出しを行うため、光変調器１３の２次分散の設定値を負の値にした。ここでは、光変調器１３の設定値を−１３０６６ｆｓ２とした。そして、この状態で、パルスコンプレッサー１６でのコンプレッサー長を変えて、フーリエ限界パルスを得た。また、高次の分散を補償するため、光変調器１３の３次分散の設定値を−７４７５ｆｓ３とし、４次分散の設定値を−２６８０ｆｓ４とした。この状態で、光変調器１３の２次分散のみを変化させると、リニアにチャープさせることができる。
【０１５８】
図１４は、光変調器１３であるＤＡＺＺＬＥＲ（登録商標）の２次分散の設定値を８５００ｆｓ２としたときの、分散部での電子ビームの空間分布を示す図である。同様に、図１５は、２次分散の設定値を１０５００ｆｓ２、図１６は、２次分散の設定値を１２５００ｆｓ２、図１７は２次分散の設定値を１４５００ｆｓ２、図１８は２次分散の設定値を１５５００ｆｓ２、図１９は２次分散の設定値を１６５００ｆｓ２、図２０は２次分散の設定値を１８５００ｆｓ２、図２１は２次分散の設定値を２０５００ｆｓ２、図２２は、２次分散の設定値を２２５００ｆｓ２としたときの、分散部での空間分布を示す図である。
なお、光変調器１３自体の２次分散が１３０６６ｆｓ２である。このため、フーリエ限界の時の２次分散を０とすると、光変調器１３の２次分散の設定値に、１３０６６ｆｓ２を加えた値が、光変調器１３において与えられる２次分散の絶対値となる。従って、光変調器１３による２次分散が、図１４では２１５６６ｆｓ２になり、図１５では２３５６６ｆｓ２になり、図１６では２５５６６ｆｓ２になり、図１７では２７５６６ｆｓ２になり、図１８では２８５６６ｆｓ２になり、図１９では２９５６６ｆｓ２になり、図２０では３１５６６ｆｓ２になり、図２１では３３５６６ｆｓ２になり、図３３では３５５６６ｆｓ２になっている。
【０１５９】
２次分散の設定値を変えることで、縦方向のパルス形状を最適化することができる。例えば、光変調器１３を制御して、２次分散の設定値を１５５００ｆｓ２以上にすると、各ミクロパルスが繋がり、マクロパルスとして一体となる。また、２次分散の設定値が１２５００ｆｓ２までは、各ミクロパルスが繋がっておらず、２２５００ｆｓ２になると、ミクロパルス同士がオーバラップして数珠玉状になる。このように、光変調器１３の２次分散の設定値を変更することで、スタッキング状態を改善することができる。
【０１６０】
次に、横方向のパルス形状を整形した実施例の測定結果を図２３〜図２８に示す。図２３〜図２９は、パルス光の空間プロファイルを測定した画像である。ここでは、カメラ４７の代わりにレーザプロファイラーを用いて、空間プロファイルを測定した。すなわち、図２３〜図２９は、レーザプロファイラーでの取得した画像データを示している。図２３〜図２９では、下側及び左側に、サークルの中心におけるプロファイルデータが示されている。なお、図２３〜図２９において、中心部分のサークルは直径０．８ｍｍの円を示している。また、図２３〜図２９は、実際の測定で取得されたカラーイメージデータをグレースケールで表示している。以下に、調整方法をその手順に従って説明する。
（ステップ０）
まず、図３に示すパルススタッカー２０において、各段でのディレイ時間を調整した。さらに、上記のように、光変調器１３で最適な２次分散を設定して、バンチ内電子のエネルギーがむらなくつながっていることを確認した。ここでは、光変調器１３の２次分散の設定値を１４５００ｆｓ２にした時に、マクロパルス内のミクロパルスが滑らかにつながっていることを、電子ビームのエネルギースペクトルから判断した。そして、この値に設定して、レーザ空間プロファイル整形を開始した。なお、このステップ０は、以下の一連のステップの終了後（レーザ空間プロファイルの最適化後）にもう一度行う。
【０１６１】
（ステップ１）
整形開始初期条件として、パルススタッカー２０からの８個のミクロパルスが可変形ミラー４０の中心に入射し、フォトカソード５１と等距離にあるプロファイラ上でほぼ同じ位置にあるように粗調整した。これらは、パルススタッカー２０の前のウェッジ５６の上下左右の角度制御によって、調整することができる。また、実際には、ウェッジ５６の代わりに２枚のパラレルウィンドウの上下左右の角度を制御して、調整した。この段階でのパルス光の空間プロファイルは、図２３に示す状態になった。
【０１６２】
（ステップ２）
ミクロパルス８個のパルス強度がパルススタッカー２０直後（出射側λ／２板３５の前）のパワーメータで同じになるように、マスクしたスタックユニットのスタック用λ／２板２４の角度を回転制御した。このとき、マスキングは、（ＮＮＳ，ＮＮＰ）、（ＮＳＮ，ＮＰＮ）、（ＳＮＮ，ＰＮＮ）の双対になるペアで同じミクロパルス強度になるように微調整した。ここで、ＮとＳとＰは各段でのマスク状態を示している。すなわち、Ｎとはマスクしない状態を示し、ＰとはＳ偏光成分をマスクしてＰ偏光成分を透過させる状態を示し、ＳとはＰ偏光成分をマスクしてＰ偏光成分を透過させる状態を示している。上記のように、Ｎ、Ｓ、Ｐを３つ並べて書くことにより、３段のパルススタッカー２０のマスク状態を特定することができる。
【０１６３】
例えば、ＮＮＳとは、１段目と２段目のスタックユニット３１，３２でマスクなしで、３段目のスタックユニット３３でＰ偏光ミクロパルスをマスクしている状態（Ｓ偏光ミクロパルスの通過を許可している状態）を示している。また、ＮＮＰとは、１段目と２段目のスタックユニット３１，３２でマスクなしで、３段目のスタックユニット３３でＳ偏光ミクロパルスをマスクしている状態（Ｐ偏光ミクロパルスの通過を許可している状態）を示している。なお、その他のマスク状態についても同様である。
【０１６４】
従って、（ＮＮＳ，ＮＮＰ）の双対ペアのミクロパルス強度を等しくする場合、１段目と２段目のスタックユニット３１、３２をマスクしない状態で、３段目のスタックユニット３３で一方をマスクする。そして、出射側λ／２板３５の前に、パワーメータを配置して、それぞれのミクロパルスのパワーを測定する。すなわち、ＮＮＳのマスク状態で、Ｓ偏光成分のパワーを測定し、ＮＮＰのマスク状態で、Ｐ偏光成分のパワーを測定する。そして、それぞれのパワーを比べ、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とが同じパワーとなるように、スタックユニット３３のスタック用λ／２板２４を回転させる。これにより、（ＮＮＳ，ＮＮＰ）の双対のミクロパルス強度を等しくすることができる。
【０１６５】
同様に、１段目と２段目のスタックユニット３１、３２についても、順番にマスクをして、各段でのＳ偏光成分とＰ偏光成分とが同じ強度になるように、スタック用λ／２板２４を回転させる。２段目のスタックユニット３２のみマスクすると、（ＮＳＮ，ＮＰＮ）の双対でミクロパルス強度が等しくなる。また、１段目のスタックユニット３１のみマスクすると、（ＳＮＮ，ＰＮＮ）の双対でミクロパルス強度が等しくなる。このようにして、各段について、スタック用λ／２板２５の最適な回転角度を求めた。
【０１６６】
そして、レーザトランスポート光学系での反射率、透過率の偏光依存性を補償するように、ミクロパルス８個のパルス強度がカメラ４７等上で同じになるように、出射側λ／２板３５を回転制御した。
【０１６７】
図２４〜図２７にステップ２における測定データを示す。なお、図２４〜図２７は、下記の一連のステップの終了後、再度行った精密調整時のものである。図２４はマスク状態がＳＮＮの場合の測定データを示し、図２５は、マスク状態がＰＮＮの場合の測定データを示している。図２４と図２５は、双対のミクロパルス間で、アライメントがずれている例を示している。図２５では、ミクロパルスの入射位置が、サークルの中心からずれている。
【０１６８】
図２６は、マスク状態がＮＳＮの場合の測定データを示し、マスク状態がＮＰＮの場合の測定データを示している。図２６と図２７とでは、双対のミクロパルス間の強度が異なっている。マスク状態がＮＰＮのミクロパルスの強度が、ＮＳＮのミクロパルスよりも低くなっている。このような場合、スタック用λ／２板の回転角度を調整して、双対のミクロパルスの強度を同じにする。そして、この後、双対のマスキング間で、プロファイルがカメラ４７上で同じく重なるように微調整する。
【０１６９】
（ステップ３）
可変形ミラー４０の５９個のチャネルで、全て同じ電圧のセットをかけた。そして、オール０〜２５５Ｖまでかけていき、８個のミクロパルスが目的のビーム径程度になる印加電圧を求めた。例えば、カソード表面上で０．８ｍｍのスポット径を目指す場合、印加電圧をオール１１５Ｖとすると、最も適しているという結果になった。ステップ３の段階での測定データを図２８に示す。そして、この状態から、中心の直径０．８ｍｍのサークル内に収まる様に、円筒形型パルス光強度を遺伝的アルゴリズムで探す。ここから、探索の出発点となる。
【０１７０】
（ステップ４）
可変形ミラー４０の制御アルゴリズムである遺伝的アルゴリズムの初期遺伝子を、同じ電圧セットで用意した。ここでは、上記のようにオール１１５Ｖ近辺での遺伝子が優秀であることが予想されることから、生存率を上げるために個体数を増やした。また、突然変異確率を１％とした。遺伝的アルゴリズムで実際の３万ステップで試行すると、２８１回の突然変異を起こした。
初期遺伝子（合計１００個）
オール８５〜９９  １セットづつ  １×１５＝１５
オール１００〜１０４  ２セットづつ  ２×５＝１０
オール１０５〜１２５  ３セットづつ  ３×２１＝６３
オール１２６〜１３５  １セットづつ  １×１０＝１０
オール８５〜９９  ２セット  ２×１＝２
因みに最後のオール１１５Ｖのセット２本は、何回か最適化アルゴリズムを試行するうちに優れたセットであると見做された遺伝子（ＤＮＡ）と置き換えるようにする。それにより、優秀な遺伝子の生存率を上げる。
遺伝的アルゴリズムは、ある評価関数を最大化するように制御する。その評価関数の要素は、例えば、Ｈ．  Ｔｏｍｉｚａｗａ，  Ｔ．  Ａｓａｋａ，  Ｈ．  Ｄｅｗａ，  Ｈ．  Ｈａｎａｋｉ，  Ｔ．  Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，  Ａ．  Ｍｉｚｕｎｏ，  Ｓ．  Ｓｕｚｕｋｉ，  Ｔ．  Ｔａｎｉｕｃｈｉ，  ａｎｄ Ｋ．  Ｙａｎａｇｉｄａ，  ＜Ｓｔａｔｕｓ  ｏｆ  ＳＰｒｉｎｇ−８  ｐｈｏｔｏｃａｔｈｏｄｅ  ＲＦ Ｇｕｎ  ｆｏｒ  Ｆｕｔｕｒｅ  ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅｓｃ，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２７ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｆｒｅｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｌａｓｅｒ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  Ｓｔａｎｆｏｒｄ，  ＣＡ，  ２１−２６ Ａｕｇｕｓｔ  ２００５，  （２００５）  ｐｐ．  １３８−１４１の表１の９個のパラメータに各係数をかけたものの線形結合で作った。そして、各係数は、表の上から５０、２００、１７０、２００、３００、０、２００、０、１０に設定した。
【０１７１】
（ステップ５）
全体として３万ステップになるように、交互にマスクしながら、可変形ミラー４０を遺伝的アルゴリズムで整形した。ここでは、以下のような順番でマスキングを行った。
全体（ＮＮＮ）−ＳＳＳ−全体−ＳＳＰ−全体−ＳＰＳ−全体−ＰＳＳ−全体−ＳＰＰ−全体−ＰＳＰ−全体−ＰＰＳ−全体−ＰＰＰ−全体
各段階でのマクロパルス全体の調整は、２０００ステップづつ行った。従って、１サイクルの中で全体の調整を９回行っているため、全体調整を１８０００ステップ行った。各ミクロパルスの調整は、それぞれ１５００ステップづつ全８回行った。従って、１サイクルの中で各ミクロパルスの整形を１２０００ステップを行った。そして、１サイクルの中で、合わせて３００００ステップ行った。このステップ５での、空間プロファイルが図２９に示すようになった。
【０１７２】
このように、マクロパルス全体の測定とミクロパルス毎の測定とを交互に行い、その測定結果に応じてパルス形状を随時調整した。すなわち、複数ステップの全体測定が終了した後、複数ステップのミクロパルス測定を行った。そして、全体測定とミクロパルス測定を交互に行っていった。また、ミクロパルス測定ではマスクするミクロパルスを順番に変えていき、全てのミクロパルスの測定を順番に行っていった。そして、遺伝的アルゴリズムを用いて、可変形ミラー４０を調整して、パルス形状を最適化していった。
【０１７３】
この後、ステップ２の精密調整を行なった。そして、各ミクロパルス間のミスアライメントと、パルスエネルギーの不均一性をなくした。この様子は、図２４〜図２７に示した。プロファイラー上での各ミクロパルスの位置ずれが、１０μｍ以内になり、８つのミクロパルスのパルスエネルギーの平均値からの差は±１０％以内に収まった。
さらに、ステップ０を行い、電子ビームのエネルギースペクトルとエミッタンスが最小値になるように、光変調器１３の２次分散の設定値を設定した。ここでは、光変調器１３の２次分散の値から判断して、光変調器１３の２次分散の設定値を１８５００ｆｓ２に変更した。この設定値を設定した後、ステップ４のオール１１５Ｖのセット２本を、先の３００００ステップでの最適化アルゴリズムの試行で選ばれた最適の遺伝子（ＤＮＡ）２本と置き換えた。そして、３００００ステップの最適化を行った。
【０１７４】
なお、遺伝的アルゴリズムについて、その初期遺伝子集団を用意するとき、最初のステップにおいて２乗間隔ですべてが同じ電極印加電圧になるセットで作ることが好ましい場合がある。このようにすることで、探索空間を最大化することができる。これは、可変形ミラー３０が静電アクチュエータ方式の場合、可変形ミラー４０の変形変位量が各電極に印加する電圧の２乗に比例するためである。従って、この方法をごく初期のステップで使用している。なお、可変形ミラー３０がピエゾアクチュエータ方式の場合はこの方法を利用しなくてもよい。
【符号の説明】
【０１７５】
１０  光源部、１１  レーザ発振器、１２  パルスストレッチャー、１３  光変調器、
１４  再生増幅器、１５  マルチパス増幅器、１６  パルスコンプレッサー、
１７  波長変換器、
２０  パルススタッカー、２１  入射側λ／４板、２２  入射側λ／２板、
２３  入射側ＰＢＳ、２４  スタック用λ／２板、２５  固定ミラー対、
２６  可動ミラー対、２７  アクチュエータ、２８  分岐用ＰＢＳ、
２８ａ〜２８ｄ  分岐用ＰＢＳ、２９  合成用ＰＢＳ、２９ａ〜２９ｄ  合成用ＰＢＳ、
３０  ミラー、３１  スタックユニット、３２  スタックユニット、
３３  スタックユニット、３４  ミラー、３５  出射側λ／２板、３７  遮光部材、
４０  可変形ミラー、４１  ミラー、４２  レンズ、４３  レンズ、４４  レンズ、
４５  ミラー、４６  ビームスプリッタ、４７  カメラ、４８  制御装置、
５１  フォトカソード、５２  共振器、５３  マイクロ波源、５５  ビームモニタ
７０  パルススタッカー
７１  前段側ＰＢＳ、７１ａ  前段側ＰＢＳ、７１ｂ  前段側ＰＢＳ、
７４  後段側分岐用ビームスプリッタ、７５  後段側合成用ビームスプリッタ、
７６  後段側分岐用ビームスプリッタ、７７  後段側合成用ビームスプリッタ、
７８  後段側分岐用ビームスプリッタ、７９  後段側合成用ビームスプリッタ、
８１  ミラー、８４  前段側λ／２板、８５ａ  前段側λ／２板、
８５ｂ  前段側λ／２板、８６ｂ〜８６ｄ  アパーチャー
９０  測定部、９１  測定用ＰＢＳ、９２  ミラー、９３  非線形光学素子、
９４  分光器、９５  プローブ用光変調器、
１２０  スタッキングロッド、１２１  ウェッジ、１２２  ウェッジ、
１２３  複屈折素子、１２４  取出し用λ／２波長板、１２５  取出し用ＰＢＳ、
１２６  スタック用λ／２板、１３１  スタックユニット、１３２  スタックユニット、１３３  スタックユニット、
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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