(57)【要約】本開示は、コヒーレント電磁レーザ放射を発生するためのレーザ装置であって、電子ビーム発振器と、電子ビームがその上に向けられるように配向した回折格子要素と、回折格子要素に結合された少なくとも１つのウイング要素を備えたレーザ装置に関する。幾つかの実施形態では、ウイング要素は、回折格子要素の上部に結合できる。別の複数実施形態では、ウイング要素は、回折格子要素の側部に結合できる。更に、本開示は、第１高さを備えた少なくとも１つの第２導電シートを、異なる第２高さを備えた少なくとも１つの第１導電シート上に配置する段階と、これら第１及び第２導電シートを互いに固定する段階とを含む。第１及び第２導電シートは交互に配置でき、且つ、それらの厚さは異なっていてもよい。更に、第１及び第２導電シートは、緊定装置によって固定してもよい。
2004509477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント電磁レーザ放射を発生するためのレーザ装置であって、
電子ビーム発振器と、
前記電子ビーム発振器からの電子ビームがその上に向けられるように配向された回折格子要素と、
前記回折格子要素に結合された少なくとも１つのウイング要素とを包含した、レーザ装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つのウイング要素が、前記回折格子要素の上部に結合されている、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つのウイング要素が、前記回折格子要素の側部に結合されている、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つのウイング要素が、少なくとも１つの磨き面を包含した、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つのウイング要素が、導電性金属を包含した、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記導電性金属が銅である、請求項５に記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記導電性金属がアルミニウムである、請求項５に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つのウイング要素が、実質的に平面形状である、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つのウイング要素が、凹状である、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのウイング要素が、凸状である、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのウイング要素が、
第１ウイング要素と、
第２ウイング要素とを包含し、更に、前記第１ウイング要素が、前記回折格子要素の第１部分に結合され、且つ、前記第２ウイング要素が、前記回折格子要素の第２部分に結合された、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
前記第１ウイング要素と前記第２ウイング要素とが対称である、請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１３】
前記第１ウイング要素及び前記第２ウイング要素が、実質的に平面形状であり、更に、前記第２ウイング要素が、前記第１ウイング要素に実質的に平行である、請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１４】
前記第１ウイング要素及び前記第２ウイング要素が、実質的に平面形状であり、更に、前記第２ウイング要素及び前記第１ウイング要素が、分散形状である、請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１５】
前記第１ウイング要素及び前記第２ウイング要素が、実質的に平面形状であり、更に、前記第２ウイング要素及び前記第１ウイング要素が、集中形状である、請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１６】
前記第１ウイング要素及び前記第２ウイング要素が凹状であり、更に、前記第２ウイング要素の配向が、前記第１ウイング要素の配向に実質的に平行である、請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１７】
前記第１ウイング要素及び前記第２ウイング要素が凹状であり、更に、前記第２ウイング要素及び前記第１ウイング要素が分散形状である、請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１８】
前記第１ウイング要素及び前記第２ウイング要素が凹状であり、更に、前記第２ウイング要素及び前記第１ウイング要素が集中形状である、請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１９】
前記第１ウイング要素及び前記第２ウイング要素が凸状であり、更に、前記第２ウイング要素の配向が、前記第１ウイング要素の配向に実質的に平行である、請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項２０】
前記第１ウイング要素及び前記第２ウイング要素が凸状であり、更に、前記第２ウイング要素及び前記第１ウイング要素が分散形状である、請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項２１】
前記第１ウイング要素及び前記第２ウイング要素が凸状であり、更に、第２ウイング要素及び前記第１ウイング要素が集中形状である、請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項２２】
前記回折格子要素及び前記少なくとも１つのウイング要素うちの少なくとも１つを冷却するための冷却システムを更に包含した、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項２３】
前記冷却システムが、極低温冷却システムを包含した、請求項２２に記載のレーザ装置。
【請求項２４】
前記回折格子要素及び前記少なくとも１つのウイング要素が、超微小機械モノリシック構造体として製造されている、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項２５】
コヒーレント電磁レーザ放射を発生するためのレーザ装置であって、
電子ビーム発振器と、
前記電子ビーム発振器からの電子ビームがその上に向けられるように配向された回折格子要素と、
回折格子要素冷却システムとを包含した、レーザ装置。
【請求項２６】
前記冷却システムが、極低温冷却システムを包含した、請求項２５に記載のレーザ装置。
【請求項２７】
前記回折格子要素に結合された少なくとも１つのウイング要素を更に包含した、請求項２５に記載のレーザ装置。
【請求項２８】
前記冷却システムが、前記少なくとも１つのウイング要素を極低温冷却する、請求項２７に記載のレーザ装置。
【請求項２９】
コヒーレント電磁レーザ放射を発生するためのレーザ装置であって、
電子ビームを発生するための電子ビーム発振器と、
前記電子ビーム発振器からの電子ビームがその上に向けられるように配向された回折格子要素とを包含し、前記回折格子要素の幅が、前記電子ビーム発振器が発生する前記電子ビームの直径の約１０乃至約５０倍である、レーザ装置。
【請求項３０】
回折格子要素を製造するための方法であって、
第１高さを備えた少なくとも１つの第２導電シートを、異なる第２高さを備えた少なくとも１つの第１導電シートに配置する段階と、
前記第１及び第２導電シートを固定する段階とを包含した、回折格子要素を製造するための方法。
【請求項３１】
前記第１及び第２導電シートが、前記第１及び第２導電シートを交互に配置したシートを包含した、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの第１導電シートの厚さは、前記少なくとも１つの第２導電シートの厚さと異なる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１及び第２導電シート積層体は、緊定装置によって固定される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの第２導電シートを前記少なくとも１つの第１導電シートに配置する前に、前記少なくとも１つの第１導電シートを固定具内に配置する段階と、
前記少なくとも１つの第１導電シートと前記少なくとも１つの第２導電シートとを、前記固定具内で位置合わせする段階とを更に包含した、請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
前記固定具が、前記第１及び第２導電シート積層体を固定する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記少なくとも１つの第１導電シート及び前記少なくとも１つの第２導電シートが、銅を包含した、請求項３０に記載の方法。
【請求項３７】
前記少なくとも１つの第１導電シート及び前記少なくとも１つの第２導電シートが、アルミニウムを包含した、請求項３０に記載の方法。
【請求項３８】
前記少なくとも１つの第１導電シート及び前記少なくとも１つの第２導電シートのうち少なくとも１つを、実質的に均一な厚みに圧延する段階を更に包含した、請求項３０に記載の方法。
【請求項３９】
前記少なくとも１つの第１導電シート及び前記少なくとも１つの第２導電シートのうち少なくとも１つを、所望の高さに剪断する段階を更に包含した、請求項３０に記載の方法。
【請求項４０】
コヒーレント電磁レーザ放射を発生するための方法であって、
少なくとも１つのウイング要素を回折格子要素に結合する段階と、
電子ビームを発生する段階と、
前記電子ビームを前記回折格子要素の上に向ける段階とを包含した、コヒーレント電磁レーザ放射を発生するための方法。
【請求項４１】
前記少なくとも１つのウイング要素が、
第１ウイング要素と、
第２ウイング要素とを包含し、更に、前記第１ウイング要素が、前記回折格子要素の第１部分に結合され、且つ、前記第２ウイング要素が、前記回折格子要素の第２部分に結合された、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記回折格子要素及び前記少なくとも１つのウイング要素のうち少なくとも１つを冷却する段階を更に包含した、請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
コヒーレント電磁レーザ放射を発生するための方法であって、
電子ビームを発生する段階と、
前記電子ビームを前記回折格子要素の上に向ける段階と、
前記回折格子要素を能動的に冷却する段階とを包含した、コヒーレント電磁レーザ放射を発生するための方法。
【請求項４４】
少なくとも１つのウイング要素を前記回折格子要素に結合する段階を更に包含した、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記少なくとも１つのウイング要素が、
第１ウイング要素と、
第２ウイング要素とを包含し、更に、前記第１ウイング要素が、前記回折格子要素の第１部分に結合され、且つ、前記第２ウイング要素が、前記回折格子要素の第２部分に結合された、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記少なくとも１つのウイング要素を冷却する段階を更に包含した、請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
コヒーレント電磁レーザ放射を発生するためのレーザ装置であって、
電子ビームを発生するための電子ビーム発振器と、
前記電子ビームがその上に向けられる回折格子要素とを包含し、更に、前記回折格子要素が、少なくとも１つの第１導電シート及び少なくとも１つの第２導電シートを包含し、更に、前記少なくとも１つの第１導電シートの高さが、前記少なくとも１つの第２導電シートの高さと異なる、レーザ装置。
【請求項４８】
前記回折格子要素が、前記第１及び第２導電シートを交互に配置したシートを含んだ、請求項４７に記載のレーザ装置。
【請求項４９】
前記少なくとも１つの第１導電シートの厚さが、前記少なくとも１つの第２導電シートの厚さと異なる、請求項４７に記載のレーザ装置。
【請求項５０】
前記少なくとも１つの第２導電シートを、前記少なくとも１つの第１導電シートに固定するための緊定装置を更に包含した、請求項４７に記載のレーザ装置。
【請求項５１】
前記少なくとも１つの第１導電シート及び前記少なくとも１つの第２導電シートが、導電性金属を包含した、請求項４７に記載のレーザ装置。
【請求項５２】
前記導電性金属が銅である、請求項５１に記載のレーザ装置。
【請求項５３】
前記導電性金属がアルミニウムである、請求項５１に記載のレーザ装置。
【請求項５４】
前記回折格子要素に結合された少なくとも１つのウイング要素を更に包含した、請求項４７に記載のレーザ装置。
【請求項５５】
前記少なくとも１つのウイング要素が、平面形状、凸状、及び凹状のうちの少なくとも１つである、請求項５４に記載のレーザ装置。
【請求項５６】
前記少なくとも１つのウイング要素が、
第１ウイング要素と、
第２ウイング要素とを包含し、更に、前記第１ウイング要素が、前記回折格子要素の第１部分に結合され、且つ、前記第２ウイング要素が、前記回折格子要素の第２部分に結合された、請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
前記第１ウイング要素と前記第２ウイング要素とが対称である、請求項５６に記載のレーザ装置。
【請求項５８】
能動冷却システムを更に包含した、請求項４７に記載のレーザ装置。
【請求項５９】
コヒーレント電磁レーザ放射を発生するためのレーザ装置であって、
電子ビームを発生するための電子ビーム発振器と、
前記電子ビームがその上に向けられる回折格子要素であって、更に、前記回折格子要素が、少なくとも１つの第１導電シート及び少なくとも１つの第２導電シートを包含し、更に、前記少なくとも１つの第１導電シートの高さが、前記少なくとも１つの第２導電シートの高さと異なる回折格子要素と、
前記回折格子要素の第１部分に結合された第１ウイング要素と、
前記回折格子要素の第２部分に結合された第２ウイング要素であって、前記第１ウイング要素と対称である第２ウイング要素と、
前記回折格子要素、前記第１ウイング要素、及び前記第２ウイング要素のうち少なくとも１つを極低温冷却するための冷却システムとを包含した、レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、自由電子レーザ（ＦＥＬ）を用いたコヒーレント電磁放射を発生するための装置及び方法に一般的に関する。
【０００２】
発明の背景
１９８０年代後期に、ダートマス大学の故ジョン・ウォルシュ（原語：Ｊｏｈｎ Ｗａｌｓｈ）教授等の研究が、柔軟性があり、波長が可変で、且つ価格が手ごろな、テラヘルツ周波数の電磁放射を発生するための波長可変式の電子ビーム駆動放射線源の開発に至った。ウォルシュの波長可変テラヘルツレーザは、米国特許第５，２６３，０４３号及び第５，７９０，５８５号（以降「ウォルシュ特許」と称する）に詳しく記載されている。ウォルシュの研究は、回折格子要素を用いた小型、コンパクト、且つ比較的安価な卓上形自由電子レーザが、遠赤外線（ＦＩＲ）或いはテラヘルツ電磁波を発生するための、商業的に実現可能な装置となり得ることを示した。
【０００３】
ウォルシュ特許は、本質的には、電子ビームを回折格子要素（すなわち共振器）の表面上に通過させることにより、電磁放射を生成するＦＥＬ装置を開示している。ウォルシュ特許の回折格子要素は、アルミニウム製ブロックにスロットを機械加工して作製する。この機械加工的アプローチでは、スロットの最小幅は、使用するノコ刃の幅により大きく左右される。これでは作製可能なスロット幅が制限されてしまう。更に、ブロックの材料によっては、縁部にチッピングやバリを残さずに滑らかに機械加工できないので（例えば、硬質材料の場合）、材料の選択も制限されることがある。他には、機械加工の際に変形しがちなものもある（例えば、軟質材料の場合）。ノコ刃は任意に薄くできるわけではないので、使用可能な回折格子寸法も制限されることがある。更に、スロットの内部断面の深さ及び形状並びにスロット間の外部表面の形状は、上述の製造方法では容易に調節できない。切削加工時には、ノコ刃が、外部角にバリを、外部角には丸コーナを残すこともある。ワォルシュが打ち立てた理論に従えば、スロットの幅、深さ、及び形状は、動作波長及び束縛電磁放射（原語：ｂｏｕｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）モードと電子ビームとの間の結合強度を決定する非常に重要な要因である。
【０００４】
発明の概要
本開示は、コヒーレント電磁レーザ放射を発生するためのレーザ装置であって、電子ビームを発生するための電子ビーム発振器と、電子ビームがその上に向けられる回折格子要素と、回折格子要素に結合された少なくとも１つのウイング要素とを備えたレーザ装置に関する。幾つかの実施形態では、ウイング要素は、回折格子要素の上部に結合できる。別の複数実施形態では、ウイング要素は、回折格子要素の側部に結合できる。更に、ウイング要素は少なくとも１つの磨き面を備えることもできる。
【０００５】
本開示の一態様によれば、ウイング要素は、例えば銅又はアルミニウムのような導電性金属からなっていてもよい。
【０００６】
本開示の一態様によれば、少なくとも１つのウイング要素を、実質的に平面形状、凹状、又は凸状とすることができる。本開示による多くの実施形態は、回折格子要素に結合した一組のウイング要素を包含する。こうした実施形態では、ウイング要素の組は、対称及び／又は互いに実質的に平行でもよく、ウイング要素の組は、互いから分散するか、あるいは互いに向かって集中していてもよい。
【０００７】
本開示の別の態様によれば、レーザ装置の幾つかの実施形態は、回折格子要素を冷却するための冷却システムを含むことができる。他の実施形態では、冷却システムを用いて、少なくとも１つのウイング要素を冷却できる。更に別の実施形態では、冷却システムを用いて、回折格子要素及び少なくとも１つのウイング要素を冷却できる。
【０００８】
本開示の更に他の態様によれば、回折格子要素及びウイング要素は、超微小機械モノリシック構造体として製造できる。
【０００９】
更に、本開示は、少なくとも１つの第１導電シートと、少なくとも１つの第１導電シートと高さが異なる少なくとも１つの第２導電シートを入手する段階と、少なくとも１つの第２導電シートを少なくとも１つの第１導電シート上に配置して、第１及び第２導電シートの積層体を形成する段階と、第１及び第２導電シートの積層体を互いに固定する段階と、を包含した回折格子要素の製造方法に関する。幾つかの実施形態では、第１及び第２導電シート積層体は、第１及び第２導電シートを交互に配置したシートからなる。更に別の実施形態では、少なくとも１つの第１導電シートの厚さは、少なくとも１つの第２導電シートの厚さと異なっていてもよい。更に、第１及び第２導電シート積層体は、緊定装置によって固定してもよい。
【００１０】
本開示の別の態様によれば、回折格子要素の製造方法は、少なくとも１つの第２導電シートを少なくとも１つの第１導電シート上に配置する前に、少なくとも１つの第１導電シートを固定具内に配置する段階と、次に、少なくとも１つの第１導電シートと少なくとも１つの第２導電シートとを固定具内で位置合わせする段階とを含む。幾つかの実施形態では、固定具は、第１及び第２導電シート積層体を固定する機能も果たしうる。
【００１１】
本開示の更に別の態様では、少なくとも１つの第１導電シート及び少なくとも１つの第２導電シートは、銅製であってよい。或いは、少なくとも１つの第１導電シート及び少なくとも１つの第２導電シートは、アルミニウム製であってもよい。
【００１２】
本発明のその他の特徴及び利点は、次の好適な実施形態の説明及び請求の範囲から明らかになるはずである。
【００１３】
代表的実施形態の詳細な説明
本開示は、コヒーレント電磁レーザ放射を発生するための回折格子結合自由電子レーザ装置及びそれを製作する方法に関する。回折格子結合自由電子レーザ装置は、米国特許第５，２６３，０４３号及び第５，７９０，５８５号（両者ともウォルシュに発行されている）に記載されており、引用してその内容全体を本明細書に組み入れる。
【００１４】
回折格子のスロット幅、深さ、及び形状をより適切に調節できる回折格子要素の製造方法を開発する必要性が存在する。更に、回折格子要素は、所望のコヒーレント電磁レーザ放射の生成に極めて重要なので、ウォルシュ特許で開示された回折格子要素を改良する必要がある。
【００１５】
本開示に記載された、コヒーレント電磁レーザ放射を発生するためのレーザ装置は、電子ビーム発振器と、回折格子要素とを包含する。電子ビーム発振器は、回折格子要素の上に方向づけ可能な電子ビームを発生して、所望の周波数を備えたコヒーレント電磁レーザ放射を生成する。ここに記載した装置及び方法に関しては、アムレイ（原語：ＡＭＲＡＹ）１０００走査型電子顕微鏡を分解して得られた電子銃を、電子ビーム発振器として用いた。この電子銃は、６ミリアンペアで５０ＫＶの最大出力を備えたスペルマン（原語：Ｓｐｅｌｌｍａｎ）高圧電源ＳＬ５０Ｎ３００／ＡＯＬ／ＬＲを包含するが、多種多様な電子銃と電源の組合せが電子ビーム発振器として使用できる。通常の技能を備えた当業者であれば、この電子ビーム発振器は、様々な実施形態をとりえることを容易に理解するはずである。
【００１６】
図１Ａは、コヒーレント電磁レーザ放射を発生するのに使用可能な一般的な回折格子要素１０の一実施形態の側面図を示す。図１Ａに示したように、電子ビーム発振器（図示しない）が発生した電子ビーム１００は、回折格子要素１０の上に向けられている。回折格子要素１０は、電子ビーム１００の移動経路に沿った長さ（Ｌ）と、幅（Ｗ）［図１Ｂを参照］と、スロット深さ（ｄ）と、スロット幅（ｓ）と、ランド幅（ｐ）と、周期（ｌ）とを備えたものと考えることができ、周期（ｌ）はスロット幅（ｓ）とランド幅（ｐ）との和に等しい。
【００１７】
図１Ｂは、図１Ａの回折格子要素１０の平面図を示す。回折格子要素１０の側部１１ａ及び１１ｂが、この図に示されている。
【００１８】
ウイング要素
性能を向上するため、より具体的には、発生するレーザ放射の出力（すなわち、振幅）を向上するため、図２乃至５に示したように、ウイング要素を回折格子要素に結合した。
【００１９】
更に詳細に説明すると、これらの図は、回折格子要素に結合された形状が異なる様々な組のウイング要素を示し、様々な異なるウイング離間寸法（すなわち第１ウイング要素と第２ウイング要素との間の「ギャップ」）、ウイング長、及びウイング幅が用いられている。これらウイング要素を導入することで、ウイング要素を含まない同じ回折格子要素から生成される出力レベルと比べて２０％乃至３００％の出力向上が可能である。製作が可能で且つ好適には一表面（すなわち回折格子に対向した面）を磨き上げ可能な多種多様な導体が、ウイング要素として使用できる。更に、より導電率が高い使用材料をウイング要素に用いると、性能が向上する。
【００２０】
ここで用いる電子ビームは、一般的にその直径が、回折格子要素と相互作用する部分においては約２５乃至５０マイクロメートルであり、残りの回折格子幅（〜６０００マイクロメートル）が、本来ならテラヘルツ放射の発生に利用可能なエネルギーを吸収してしまうことにより、テラヘルツ放射発生に干渉することがありえる。更に、ウイング要素を含めることで、電子ビームの回折格子要素との相互作用が向上することに加え、テラヘルツ放射の自由空間への結合が向上すると考えられる。
【００２１】
ウイング要素は回折格子要素に結合してもよく、且つ、回折格子の全長に亘って様々な距離で離間して（すなわち、ギャップ）電子ビームと位置合わせしてもよい（例えば、実質的に平行にする）。回折格子要素は、格子の面（すなわち、上面）から例えば６ｍｍの距離で突出している。従って、回折格子は、回折格子要素の「未使用」部分を覆うことができる。ウイング要素は、形状寸法が異なる（例えば、ｄ、ｐ、及びｓ等が異なる）回折格子要素と共に用いてもよい。
【００２２】
実験によれば、異なるウイング要素を付加したところ、次のような結果が得られた。
2004509477.tif 000003
【００２３】
これらの結果は、ウイング要素を用いた場合、テラヘルツ出力が向上（すなわち増加）し、更に、２つのウイング要素間のギャップを減少すると、テラヘルツ出力が更に増加することを示している。従って、ウイング要素を、電子ビーム直径の５０倍までの有効幅（すなわち、電子ビームに曝される回折格子要素の幅）を備えた幅が狭い回折格子要素に組み合わせると、エネルギー出力結合が向上すると考えられる。ウイング要素の有効性及び／又は回折格子要素の幅を狭めることの有効性を更に示すものとしては、回折格子要素が、より容易に、すなわち所定の電圧においてより低い電子ビーム電流で「作動開始」することである。
【００２４】
ウイング要素の代表的実施形態
回折格子要素１０に結合されるウイング要素２０ａ及び２０ｂの代表的実施形態の１つを、図２Ａ及び２Ｂに示す。図２Ａ及び２Ｂに示したウイング要素２０ａ及び２０ｂは、回折格子要素１０の側部１１ａ及び１１ｂに結合されている。ウイング要素２０ａ及び２０ｂは、回折格子要素１０の全長（Ｌ）に亘って延伸するよう図示されているが、必ずしもそうである必要はない。従って、他の実施形態では、ウイング要素２０ａ及び２０ｂは、回折格子要素１０の長さ（Ｌ）の一部のみに沿って延伸していてもよい。好適な実施形態では、ウイング要素の内面（電子が通過する、回折格子要素の中心軸に関連して決まる）は、電子ビームと回折格子要素との間のエネルギー結合を向上させるため、磨き仕上げを施してもよい。例えば、図２Ｂにおいて、ウイング要素２０ａ及び２０ｂのそれぞれの表面２１ａ及び２１ｂ（斜線で示した）は、磨き仕上げしてある。［ここで用いる「磨き仕上げ」という用語は、特定表面がその表面の反射率特性を増加するように加工されていることを示す。これは、例えば研削、研磨仕上げ、メッキなどの本発明の分野で公知の方法で実行できる。］図２の実施形態は、回折格子要素１０の側部１１ａ及び１１ｂに結合されたウイング要素２０ａ及び２０ｂを含むので、回折格子要素１０の上方に位置したウイング要素２０ａ及び２０ｂの表面部分のみを磨き仕上げすればよい（すなわち、表面２１ａ及び２１ｂで示したように）。更に、ウイング要素２０ａ及び２０ｂは、実質的に平面形状（例えば、平坦）として図示されているが、後に詳述するように、ウイング要素２０ａ及び２０ｂは、凸状、凹状、又は複合的な３次元形状としてもよい。
【００２５】
ウイング要素２０ａ及び２０ｂ並びに回折格子要素１０は、例えば、導電性金属などの導電材料からなっていてもよい。銅の導電特性（及びその熱特性）により、ウイング要素２０ａ及び２０ｂ並びに回折格子要素１０は銅製であることが好ましく、少なくとも、回折格子要素１０並びにウイング要素２０ａ及び２０ｂのそれぞれの表面２１ａ及び２１ｂは銅製であることが好ましい。銅の代わりとしては、アルミニウム又はその他の導体を用いてもよい。更に、好適な実施形態では、ウイング要素２０ａ（すなわち第１ウイング要素）とウイング要素２０ｂ（すなわち第２ウイング要素）とは対称で、これは、ウイング要素２０ａとウイング要素２０ｂとが互いの鏡像となっていることを意味する。
【００２６】
図３は、回折格子要素１０に結合できる幾つかの異なる組のウイング要素１乃至５を備えた回折格子要素１０を示す。具体的には、図３は、回折格子要素１０に結合できる次の組のウイング要素を示す。それらは、集中ウイング要素１の組、分散ウイング要素２の組、凹状（すなわち、内側に湾曲した）ウイング要素３の組、凸状（すなわち、外側に湾曲した）ウイング要素４の組、及び、実質的に平面形状で且つ平行なウイング要素５の組である。ここでは「集中」及び「分散」という用語は、レーザ放射の移動軸２００との関係で用いられており、従って、分散ウイング要素２の組は、回折格子要素１０から離れるにつれ、軸２００から離れる。言い換えると、第１ウイング要素と第２ウイング要素との間のギャップは、回折格子要素１０から離れるにつれ増大する。
【００２７】
図３は、ウイング要素１乃至５、２０ａ及び２０ｂが、例えば、回折格子要素１０の上部に結合できることを示している。ウイング要素は、図２では回折格子要素１０の側部に結合しているように示してあるが、必ずしもそうする必要はない。ウイング要素１乃至５の個々の組は、回折格子要素１０の上面の特定位置に結合して、ウイング要素１乃至５の組の間に所望のギャップを設けることができる。ウイング要素を回折格子要素１０の上部に結合する場合は、ウイング要素は、ウイング要素の下に位置したスロットをダムのようにせき止めるように作製できる（図示しない）。他の方法としては、ウイング要素を回折格子要素１０の上部に結合する場合、ウイング要素とは別体のせき止め要素（図示しない）をウイング要素の側部に結合してもよい。ウイング要素１乃至５（又は２０ａ及び２０ｂ）の組を回折格子要素１０に結合するには、せき止め要素を用いた場合、機械的締結具（ねじ、リベットなど）、機械的緊定装置、又は、はんだ、溶接、ろう付け、エポキシ、接着剤、結合剤などを使用した結合方法を用いればよい。
【００２８】
更に、ウイング要素１乃至５（または２０ａ及び２０ｂ）の組は、これらウイング要素が互いに平行に位置合わせ（すなわち配向）されるように、回折格子要素に結合される。例えば、凹状ウイング要素３の組では、ウイング要素３ａ及び３ｂを、ウイング要素３ａの配向（例えば、電子ビームの移動軸３００との関係において）がウイング要素３ｂの配向と実質的に平行となるように、回折格子要素１０に結合できる。
【００２９】
図４は、回折格子要素１０の上部に結合された複合凸状ウイング要素６ａ及び６ｂからなる実施形態を示す。これらウイング要素は、平面形状でも曲面状態（例えば、凹状又は凸状）でもよい。図４は、ウイング要素が、複合的な３次元表面（例えば、環状（原語：ｔｏｒｏｉｄａｌ）であってもよいことを示す。図４のウイング要素６ａ及び６ｂは、例えば、レーザ放射軸２００及び電子ビームの移動軸３００両方に沿って曲面（凸状）となっている。
【００３０】
図５は、ウイング要素２０ａ及び２０ｂを備えた拡大回折格子要素１０の一実施形態の平面図を示す。ここでは「拡大」という用語は、ウイング要素対２０ａ及び２０ｂの間のギャップが、例えば、電子ビームの移動軸３００に沿って（ページの左から右へ）拡大することを意味する。拡大するギャップを作製するには、（１）その幅（Ｗ）が移動軸３００に沿って拡大する回折格子要素１０であって、ウイング要素２０ａ及び２０ｂがその側部に結合された回折格子要素１０を用いるか、（２）一定幅（Ｗ）の回折格子要素１０であって、ウイング要素２０ａ及び２０ｂが、ギャップが拡大するように回折格子要素１０の上部に結合された回折格子要素１０を用いればよい。
【００３１】
上述の「拡大」回折格子要素１０と同様に、回折格子要素１０は、ウイング要素対２０ａ及び２０ｂの間のギャップが、例えば、電子ビームの移動軸３００に沿って減少する、「縮小形状」にも作製できる。これは上述と概ね同様の方法で実行可能である。
【００３２】
更に、回折格子要素１０並びにウイング要素２０ａ及び２０ｂ（又は１乃至６）は、本発明の分野で周知の半導体チップ製造技術を用いて超微小機械モノリシック構造体として製造することも可能である。例えば、ＰＣＴ特許出願ＷＯ　００／７２４１３　Ａ２（引用してその全体を本開示に援用する）は、回折格子構造体の製造に関してこうした方法を記載している。こうした製造方法を用いて、結果としてできあがる回折格子要素１０並びにウイング要素２０ａ及び２０ｂを導電性とすることができる。
【００３３】
回折格子要素の作製
回折格子要素は様々な方法で作成できる。これらの異なる方法を用いることで、回折格子要素１０を多種多様な導体から製造できる。
【００３４】
図６を参照すると、回折格子要素１０は、第一に、第１導電シート６１（高さｈ（ｐ）及び厚さｔ（ｐ）を備える）と、第２導電シート６２（高さｈ（ｓ）及び厚さｔ（ｓ）を備える）とを入手して製造してもよく、この場合、第１導電シート６１の高さｈ（ｐ）は、第２導電シート６２の高さｈ（ｓ）とは異なる。第２導電シート６２は、第１導電シート６１に配置して（例えば積み重ねて）、第１導電シートと第２導電シートとが交互に位置する積層体を形成する。第１導電シートと第２導電シートとからなるこの積層体を互いに固定すると、回折格子要素１０が形成される。高さが異なる第１導電シート６１と第２導電シートとを積み重ねることで、回折格子要素のスロット深さ（ｄ）、スロット幅（ｓ）、ランド幅（ｐ）、及び周期（ｌ）が正確に調節できる。例えば、スロット深さ（ｄ）を設定するには、高さの差が、所望のスロット深さ（ｄ）［例えば、図６ではスロット深さ（ｄ）＝ｈ（ｐ）−ｈ（ｓ）］に等しい第１導電シート６１及び第２導電シート６２を用いればよい。厚さｔ（ｐ）を備えた第１導電シート６１及び厚さｔ（ｓ）を備えた第２導電シート６２を適切に選択すれば、スロット幅（ｓ）、ランド幅（ｐ）、及び周期（ｌ）も同様に調節できる。
【００３５】
銅製シートは導電率が高く、厚さが均一なシートが入手しやすいので、銅製シートを第１導電シート６１及び第２導電シートの材料として選択してよい。例えば、第１導電シート６１は、０．００５インチの銅製シート（例えば、容易に入手可能な銅製シム）から作製すればよい。第２導電シート６２は、０．００１インチの銅製シートから作製して、高さの差（第１導電シート６１と第２導電シート６２との高さの差）を０．００４インチとすればよい。回折格子要素は、第１導電シート６１と第２導電シート６２を交互に配置できる。銅に加え、例えばアルミニウムを含んだ多種多様な導電性シート材料が使用できる。
【００３６】
実験では、第１導電シート６１及び第２導電シート６２から製造された回折格子要素１０は、ウォルシュ特許の技術により製造した類似寸法の回折格子要素に比べ、約５００μｍの波長で殆ど２倍の出力を達成した。この出力の向上は、次の組合せによると考えることができる。
１）上述のシート積み重ね作製方法によって回折格子の均一規則性が向上したこと。
２）アルミニウム（ウォルシュ特許で使用されている）に対して銅の導電性が高いこと。
３）上述の作製方法によってスロット幅（ｓ）がより狭くなったこと。
４）回折格子の断面形状が向上して、理想的な断面形状に正確に近づき、回折格子要素において丸コーナ及びバリの数が減少したこと。
【００３７】
回折格子要素１０の製造に関わる上記方法の潜在的な利点としては、市販のシート素材（例えば、銅製シート素材）が、所望の回折格子要素１０の形状寸法によっては、第１導電シート６１及び第２導電シート６２として使用するのに非常に適していることがある。入手可能なシート素材が所望の形状寸法にあまり適していない場合は、シート素材を圧延して、回折格子要素の所望の形状寸法に適した厚さにすればよい。同様に、入手可能なシート素材を剪断して、第１導電シート６１の高さｈ（ｐ）及び／又は第２導電シート６２の高さｈ（ｓ）を、所望の回折格子要素１０の形状寸法により適するように変更してもよい。
【００３８】
第１導電シート６１と第２導電シート６２との積層体は、機械的締結具（ねじ、リベットなど）、機械的緊定装置、又は、はんだ、溶接、ろう付け、エポキシ、接着剤、結合剤などを使用した結合方法で固定できる。図７は、緊定装置３０で交互に固定した複数の第１導電シート６１及び第２導電シート６２から形成された回折格子要素１０を示す。この回折格子要素１０の作製方法は、第２導電シート６２を第１導電シート６１上に配置する前に、第１導電シート６１を固定具内に配置する段階と、次に、第２導電シート６２及び第１導電シート６１を固定具内で位置合わせする段階とを含む。この手順は、第１導電シート６１と第２導電シート６２からなる所望の積層体が得られるまで繰り返すことができる。図７の緊定装置３０は、更に、第１導電シート６１と第２導電シート６２とを積み重ね且つ位置合わせするための固定具としても機能する。従って、第１導電シート６１及び第２導電シート６２は、所望の積層体を得るために固定具３０内で位置合わせし、次に緊定機構３１（この例ではボルトとして示す）を操作して、第１導電シート６１と第２導電シート６２からなる積層体を固定できる。
【００３９】
回折格子要素及び／又はウイング要素の冷却
回折格子結合自由電子レーザにおいては、電磁場と接触する共振器構造体の表面は、導電性である。これら表面の導電率が、共振器構造体の効率を左右する。導電率が低い場合は、電磁場のエネルギー損失が高いことを一般的に意味し、導電率が高い場合は、エネルギー損失が低く且つ「Ｑ」が高いことを意味する。
【００４０】
殆どの金属の導電性は、その金属の温度低下と共に増大するので、回折格子結合自由電子レーザの出力は、レーザの共振器構造体の温度が低下するにつれ増大する。多くの金属は極低温まで冷却して（例えば、液体窒素温度まで、或いは液体ヘリウム温度までも）、その導電率を増大させうる。又、温度をその臨界温度まで冷却して超電導化できる金属もある。例えば、液体窒素温度における銅の導電率は、室温における銅の導電率よりもかなり高い。
【００４１】
図８は、緊定装置３０により固定し且つ、冷却システム（図示しない）により極低温で冷却中の回折格子要素１０の一実施形態を示す。冷却剤（すなわち冷媒）は、導管４１を介して回折格子要素１０部分まで送り出し、導管４２を介して排出できる。こうすることで、回折格子要素１０の温度を管理できる。更に、ウイング要素は図８に示していないが、本開示に従った様々な実施形態を用いれば、回折格子要素１０の冷却と同時に、或いは、回折格子要素１０の冷却とは別にウイング要素の極低温冷却も可能となる。この冷却システムは、閉ループ冷媒サイクルを備えることができ、更に、このシステムは、所望の温度で反応槽２１０の温度を調節且つ維持可能な任意の適切なシステムでよい。ペンシルバニア州アレンタウン所在のジュラボ（原語：Ｊｕｌａｂｏ）ＵＳＡ社から入手可能な外部冷却サーキュレータを用いることができる。
【００４２】
本発明は、様々なレーザ装置並びに図示及び説明した回折格子要素を作製するための方法に関して開示してきた。しかし、通常の技能を備えた当業者には、様々な修正及び改良が可能なことが明らかなはずである。これらレーザ装置及び回折格子要素の製造方法の説明は、本発明を単に例示するものであって限定するものと考えるべきではない。本発明の精神及び範囲は、次の請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
（Ａ）回折格子要素の一実施形態の側面図である。
（Ｂ）図１Ａに示した回折格子要素の平面図である。
【図２】
（Ａ）ウイング要素を備えた回折格子要素の一実施形態の平面図である。
（Ｂ）図２Ａに示したウイング要素を備えた回折格子要素の正面図である。
【図３】
幾つかの異なるタイプのウイング要素を備えた回折格子要素を示す。
【図４】
複合凸状ウイング要素を備えた回折格子要素の実施形態を示す。
【図５】
ウイング要素を備えた拡張回折格子要素の一実施形態の平面図である。
【図６】
回折格子要素作製の一実施形態を示す側面図である。
【図７】
緊定装置による作製段階を含む回折格子要素の一実施形態を示す。
【図８】
冷却システムにより極低温で冷却された回折格子要素の一実施形態を示す。
【図１】
2004509477.tif 000004
【図２】
2004509477.tif 000005
【図３】
2004509477.tif 000006
【図４】
2004509477.tif 000007
【図５】
2004509477.tif 000008
【図６】
2004509477.tif 000009
【図７】
2004509477.tif 000010
【図８】
2004509477.tif 000011
【国際公開パンフレット】
2004509477.tif 000012
2004509477.tif 000013
2004509477.tif 000014
2004509477.tif 000015
2004509477.tif 000016
2004509477.tif 000017
2004509477.tif 000018
2004509477.tif 000019
2004509477.tif 000020
2004509477.tif 000021
2004509477.tif 000022
2004509477.tif 000023
2004509477.tif 000024
2004509477.tif 000025
2004509477.tif 000026
2004509477.tif 000027
2004509477.tif 000028
2004509477.tif 000029
2004509477.tif 000030
2004509477.tif 000031
2004509477.tif 000032
2004509477.tif 000033
2004509477.tif 000034
2004509477.tif 000035
2004509477.tif 000036
2004509477.tif 000037
2004509477.tif 000038
2004509477.tif 000039
2004509477.tif 000040
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004509477.tif 000041
2004509477.tif 000042
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004509477.tif 000043
2004509477.tif 000044
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004509477.tif 000045
2004509477.tif 000046
【国際調査報告】
2004509477.tif 000047
2004509477.tif 000048
2004509477.tif 000049
2004509477.tif 000050
2004509477.tif 000051
2004509477.tif 000052
2004509477.tif 000053
2004509477.tif 000054